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单片机超轻量级多任务操作系统实战指南

news 2025/11/15 9:27:46

一、引言：为什么需要多任务？

在8位单片机（如ATmega328P、STC89C52等）上，资源极其有限：

RAM：通常只有几十到几百字节
Flash：几KB到几十KB
无MMU（内存管理单元）
单核CPU

在这样的环境下，运行像Linux或FreeRTOS（虽然FreeRTOS有裁剪版）这样的完整OS是不现实的。但我们仍然希望实现：

伪并行处理：同时处理多个任务（如按键扫描、显示刷新、数据采集）
更好的代码结构：将复杂功能分解为独立任务
响应性：确保关键任务能及时得到执行

这就是我们要实现的超轻量级多任务系统，通常称为协作式调度器或超级循环任务调度器。

二、核心原理：协作式多任务

与复杂的抢占式系统不同，我们的系统基于协作式多任务：

协作式：每个任务必须主动"让出"CPU，其他任务才能运行
无优先级：所有任务平等轮流执行
无任务栈：所有任务共享同一个栈，节省内存
无上下文切换：不需要保存/恢复任务状态

工作流程：

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初始化系统
↓
无限循环 {执行任务1（如果到了执行时间）执行任务2（如果到了执行时间）...执行任务N（如果到了执行时间）系统空闲处理（可选）
}

三、核心实现：时间片轮转调度

1. 任务控制块（Task Control Block, TCB）

这是系统的核心数据结构，记录每个任务的信息：

// 任务函数指针类型
typedef void (*TaskFunction)(void);// 任务控制块结构
typedef struct {TaskFunction task;      // 任务函数指针uint16_t interval;      // 执行间隔（ms）uint16_t last_run;      // 上次执行时间uint8_t enabled;        // 任务使能标志
} TCB;// 任务列表
TCB task_list[MAX_TASKS];
uint8_t task_count = 0;

2. 系统时钟源

我们需要一个精确的时间基准，通常使用定时器中断：

// 全局系统时钟（每1ms递增）
volatile uint32_t system_tick = 0;// 定时器中断服务函数（1ms中断）
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {system_tick++;
}

3. 任务调度器核心

// 初始化调度器
void scheduler_init(void) {// 配置定时器产生1ms中断// 这里以AVR为例TCCR1A = 0;TCCR1B = (1 << WGM12) | (1 << CS10); // CTC模式，无分频OCR1A = 15999; // 16MHz / 1 = 16000000Hz，16000000/1000 = 16000-1TIMSK1 = (1 << OCIE1A);sei(); // 开启全局中断task_count = 0;
}// 添加任务到调度器
uint8_t scheduler_add_task(TaskFunction func, uint16_t interval) {if (task_count >= MAX_TASKS) {return 0; // 失败}task_list[task_count].task = func;task_list[task_count].interval = interval;task_list[task_count].last_run = system_tick;task_list[task_count].enabled = 1;task_count++;return 1; // 成功
}// 调度器主循环
void scheduler_run(void) {uint8_t i;uint32_t current_tick;while(1) {current_tick = system_tick;// 遍历所有任务for (i = 0; i < task_count; i++) {// 检查任务是否使能且到了执行时间if (task_list[i].enabled && (current_tick - task_list[i].last_run >= task_list[i].interval)) {// 更新上次执行时间task_list[i].last_run = current_tick;// 执行任务task_list[i].task();}}// 空闲任务（可选）idle_task();}
}

四、实战示例：三任务系统

让我们实现一个具体的例子：LED闪烁、按键扫描、串口输出。

#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <util/delay.h>#define MAX_TASKS 8// 系统变量
volatile uint32_t system_tick = 0;
TCB task_list[MAX_TASKS];
uint8_t task_count = 0;// 任务1：LED闪烁（500ms间隔）
void task_led_blink(void) {static uint8_t led_state = 0;led_state = !led_state;if (led_state) {PORTB |= (1 << PB5);  // LED亮} else {PORTB &= ~(1 << PB5); // LED灭}
}// 任务2：按键扫描（50ms间隔）
void task_key_scan(void) {static uint8_t last_key_state = 0;uint8_t current_key_state = PINB & (1 << PB0);// 检测下降沿（按键按下）if (last_key_state && !current_key_state) {// 按键处理handle_key_press();}last_key_state = current_key_state;
}// 任务3：串口数据发送（1000ms间隔）
void task_uart_send(void) {static uint8_t counter = 0;uart_send_string("Counter: ");uart_send_number(counter++);uart_send_string("\r\n");
}// 按键处理函数
void handle_key_press(void) {uart_send_string("Key Pressed!\r\n");
}// 空闲任务
void idle_task(void) {// 可以在这里进入低功耗模式// _delay_ms(1);
}int main(void) {// 硬件初始化DDRB = (1 << PB5);    // PB5设为输出（LED）PORTB = (1 << PB0);   // PB0上拉电阻（按键）uart_init();          // 初始化串口// 调度器初始化scheduler_init();// 添加任务scheduler_add_task(task_led_blink, 500);    // 500ms间隔scheduler_add_task(task_key_scan, 50);      // 50ms间隔  scheduler_add_task(task_uart_send, 1000);   // 1000ms间隔// 启动调度器（永不返回）scheduler_run();return 0;
}

五、高级特性与优化

1. 任务优先级模拟

虽然我们是协作式调度，但可以模拟优先级：

void scheduler_run_priority(void) {uint8_t i;uint32_t current_tick = system_tick;// 高优先级任务放在前面检查for (i = 0; i < task_count; i++) {if (task_list[i].enabled && (current_tick - task_list[i].last_run >= task_list[i].interval)) {task_list[i].last_run = current_tick;task_list[i].task();// 重要：高优先级任务执行后立即返回，确保及时性return;}}// 中优先级任务...// 低优先级任务...
}

2. 动态任务管理

// 启用/禁用任务
void scheduler_set_task_enable(uint8_t task_id, uint8_t enable) {if (task_id < task_count) {task_list[task_id].enabled = enable;}
}// 修改任务间隔
void scheduler_set_task_interval(uint8_t task_id, uint16_t interval) {if (task_id < task_count) {task_list[task_id].interval = interval;}
}

3. 系统状态监控

// 获取CPU使用率
uint8_t get_cpu_usage(void) {static uint32_t last_idle_time = 0;static uint32_t last_total_time = 0;uint32_t current_idle_time = idle_counter;uint32_t current_total_time = system_tick;uint32_t idle_delta = current_idle_time - last_idle_time;uint32_t total_delta = current_total_time - last_total_time;last_idle_time = current_idle_time;last_total_time = current_total_time;if (total_delta == 0) return 100;return 100 - (idle_delta * 100 / total_delta);
}

六、最佳实践与注意事项

任务设计原则：
- 每个任务必须短小精悍，执行时间要远小于其间隔时间
- 避免在任务中使用长延时（如_delay_ms(100)）
- 任务函数应为无阻塞设计
中断使用：
- 保持中断服务函数尽可能短
- 在ISR中只做标记，在主循环中处理
资源共享：
- 由于没有真正的任务保护，要注意共享数据（如全局变量）的访问
- 可以使用"原子操作"或简单的开关中断来保护关键代码段
内存优化：
- 根据实际任务数量设置MAX_TASKS
- 使用最小的合适数据类型（uint8_t vs int）