單片機中如何實現(xiàn)多線程

隨著計算機的不斷發(fā)展，越來越多的，優(yōu)秀的編程思想被提出來，并付諸實踐。在某些方面已出現(xiàn)了根本性的變革。另一方面，單片機自從80年代誕生以來，便以飛快的速度發(fā)展起來，但由于其物理條件的限制，單片機控制系統(tǒng)的編程仍然局限于經(jīng)驗的模式，很少應(yīng)用那些新提出的高級語言的編程思想。如果將不斷發(fā)展的編程思想與廣泛應(yīng)用的單片機控制系統(tǒng)結(jié)合起來，一定會大大促進單片機控制系統(tǒng)的進一步發(fā)展。使其更廣泛的應(yīng)用于各個方面。

在下面這個具體項目中，實際情況對系統(tǒng)有一些比較苛刻的要求。按照一般的單線程的控制方法已經(jīng)無法滿足實際需求。

對象M1開始動作17操作，即首先步進電機M1（正向）轉(zhuǎn)動查找光電開關(guān)信號PS1；查到后執(zhí)行兩次‘過程1‘。過程1：向電機打出30拍。由表1可知該動作從C 段執(zhí)行到 K段停止；

對象M2即步進電機M2等對象M1執(zhí)行完動作17后執(zhí)行動作23等。對象M3和對象M4 則在開始時同時啟動，分別執(zhí)行各自的動作。各個對象之間有的獨立，有的相互關(guān)聯(lián)。

整個項目需要控制16臺步進電機，21個電磁閥，3個泵，1個直流電機，系統(tǒng)要求全部執(zhí)行時間為6秒鐘，系統(tǒng)要求步進電機以其最快的速度-----40us—60us打拍。如果以單線程的方式編程讓一臺電機轉(zhuǎn)到位之后，再轉(zhuǎn)其他電機。這樣16臺電機打一拍就需要640us---960us已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)要求。這就需要使單片機并行控制多臺電機運轉(zhuǎn)。這種以并行的方式驅(qū)動各個電機同時啟動可以在最短的時間將各個電機同時到位。在轉(zhuǎn)動電機的同時還需要檢測一些開關(guān)量已確定電機的位置。為了實現(xiàn)這個目的。下面提供第一種解決方案（此方案是常用的方案之一，但作者并不推薦這個方案。因為這個方案成本太高。）。

方案一： 硬件實現(xiàn)。

我們可以用多個CPU，將各個電機的控制分到不同的CPU中執(zhí)行，并可將不互相沖突的電機控制過程放到一個CPU中。

系統(tǒng)中設(shè)定一個主CPU，其功能為與計算機通訊，并將計算機下達的指令分發(fā)給相應(yīng)的從CPU，更主要的是主CPU將監(jiān)控整個并行控制的運作。因為各個控制過程之間有的彼此關(guān)聯(lián)，所以主CPU不僅要控制各個線程的執(zhí)行，還要兼顧線程之間的通訊。以表1為例，具體作法如下：

1．開始后，主CPU發(fā)給從CPU1一個信號，從CPU啟動對象M1進行動作17，并由從CPU向主CPU返回一個信號。主CPU收到信號后，置起標(biāo)志1。當(dāng)對象M1進行完動作17后，從CPU向主CPU發(fā)出信號，CPU將標(biāo)志1清掉。

2．開始后，主CPU發(fā)給從M2一個信號，從CPU啟動對象M2。從CPU向主CPU不斷查詢標(biāo)志1。當(dāng)標(biāo)志1被清掉后，從//控制對象2執(zhí)行動作23。

3．開始后，主CPU發(fā)給從CPU一個信號，從CPU啟動對象M3和對象M4。執(zhí)行動作25，然后開電磁閥6，然后延時1秒，關(guān)電磁閥6，執(zhí)行動作24，然后執(zhí)行動作26，等////1的動作17完成后，啟動步進電機20，執(zhí)行動作25，等等。

如上所說， 主CPU設(shè)置了多個標(biāo)志位用以跟蹤各個線程的運行情況。并用這些標(biāo)志位承擔(dān)了各個相關(guān)線程之間的通訊。凡是線程運行到與其他線程相關(guān)的地方都會在主CPU內(nèi)設(shè)置一個標(biāo)志位以供其它相關(guān)線程查詢。而那些不相關(guān)的線程可以完全獨立運行。相關(guān)線程除了需檢測標(biāo)志的部分，其他部分也可獨立運行。

這種多CPU控制的作法實現(xiàn)了單片機的并行運作方式。但多CPU的控制方案成本幾乎是成倍提高，而且在硬件的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的多CPU之間的通訊花費時間稍長。并且容易有干擾。

方案二（作者推薦）： 另一種實現(xiàn)的方法是在軟件的層面上模擬多cpu的運作。從而實現(xiàn)單片機的偽并行處理。這種實現(xiàn)方法借鑒了計算機實現(xiàn)多線程的編程方法。

多線程編程編程思想，即：同時給CPU分配了幾個任務(wù)或線程。當(dāng)然計算機 CPU實際上不可能同一時間做幾件事，而是把時間分到不同的線程，使每個線程都有點進展。如果一個線程無法進行，比如線程要求的鍵盤輸入尚未取得，則轉(zhuǎn)入另一個線程的工作。通常，CPU在線程間的切換非常迅速，使人們感覺好象所有的線程是同時進行的。

多線程編程中有一個很重要的環(huán)節(jié)：各個線程之間的通訊與控制問題

在多線程編程中，每個線程都用編碼提供線程的行為，用數(shù)據(jù)供給編碼操作。多個線程同時處理同一編碼和數(shù)據(jù)，不同線程可能各有不同的編碼和數(shù)據(jù)。事實上，編碼和數(shù)據(jù)部分是相當(dāng)獨立的，需要時即可向線程提供。因此經(jīng)常是幾個線程使用同一段編碼和數(shù)據(jù)這就會出現(xiàn)下面的情況

當(dāng)一個線程在調(diào)用數(shù)據(jù)時，另一個線程可能正在修改這些數(shù)據(jù)。則前一個線程所調(diào)用的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了不確定性。這會影響整個運行結(jié)果。為了避免這個問題，多線程編程中，各個線程之間通訊和控制尤為重要。在將多線程的思想向單片機控制系統(tǒng)移植時，這點要非常注意。 因為系統(tǒng)多線程運作的實現(xiàn)從其最基本的層面看仍然是單線程的操作；他的實現(xiàn)歸根結(jié)底是利用了計算機的高速度。它將系統(tǒng)運行的基準時間分成了許多時間片，將各個時間片分給不同的線程，如此一來在一個基準時間內(nèi)各個線程全都向前行進了一步，然后運行下一個基準時間，周而復(fù)始。這樣在用戶層的角度看來，各個線程是同步進行的。只要速度夠塊，時間片的劃分不會影響用戶層面上的應(yīng)用，這樣就可以實現(xiàn)多線程的操作。近年來單片機速度的大幅度提升，這就使多線程思想向單片機控制系統(tǒng)的移植成為可能。

在整個項目中全部的輸入信號共39個；同時并行查詢的對象最多時有61個系統(tǒng)要求以步進電機最快的速度打拍。時間約40us---60us，為了保證步進電機打拍的穩(wěn)定性和靈活性。我選用了DSP內(nèi)部的一個定時器，定時時間為打拍時間的1/3—1/5。設(shè)定為10us中斷。這個時間為整個系統(tǒng)運行的基準時間。在這段時間內(nèi)，系統(tǒng)要查詢一遍所有對象并向相應(yīng)的步進電機打拍。在一些線程中還需要采樣多次。換句話說，在這個系統(tǒng)時間內(nèi)。所有線程都要向前行進一步。

就像計算機一樣，將這個基準時間分為多個時間片。將各個時間片分給不同的線程，在這種情況下，各個線程的執(zhí)行是間斷的。這與用硬件模擬多線程有本質(zhì)的不同。像這樣既要應(yīng)用各線程執(zhí)行的間斷性，又要保證各線程運行的連續(xù)性。這對軟件的設(shè)計有了很高的要求，這同時也是單片機控制系統(tǒng)用軟件模擬多線程方法中的難點之一，為了解決這個問題，可在個線程自帶線程進度指示器用來標(biāo)志線程的運行進度，即用一個變量記載線程的每一步。

系統(tǒng)設(shè)定線程進度指示器用來指引線程的連續(xù)運行，同時在一個中斷中輪詢所有對象。其編程結(jié)構(gòu)大致如下：

時鐘中斷：

線程1：

線程進度標(biāo)志：

1： ；

2： ；

3；

線程2：

線程進度標(biāo)志：

1： ；

2： ；

。。。。。。。。