基于页的8051多任务模型

随着8051微控制器性能的不断提高，使用多任务操作系统对单片机进行资源管理已成为当代开发的需要。由于受静态链接的限制，8051系统的多任务开发需要处理代码重入(reentrance)的问题。

为了实现重入，通常可以利用Keil C51的关键字reentrant，将函数声明为重人类型。通过在重入堆栈分配局部变量，使函数具有可重入性；但该重入方案的实时性较差。

为提高多任务系统的实时性，本文介绍一种新方案——基于页的多任务模型。

1 重入函数的原理与不足

当使用Kcil C51的关键字reentrant来指定函数届性时，即得重入函数(reentrant function)。

1．1 重入函数的原理

重入函数的原理是Keil C编译器建立一个软件操作的重入堆栈。重入函数能自动为不同的调用者在重入堆栈中分配独立局部变量，使函数具备重入性。

变量分配过程如图l所示，函数人口首先申请存储空间。函数返回前，必须将所申请的存储空间归还。变量分配和回收的位置都是重入堆栈的栈顶。



1.2 重入函数的不足

重入堆栈的最大缺点为效率低，Keil C51用户手册中已有明确记载。

由图l可作以下分析：首先，每次使用局部变量都需要计算变量地址，大大降低了变量存取速度，也消耗了处理器时间；其次，因为重入堆栈是纯软件实现的，因此反复进行的堆栈操作使重入函数的实时性进一步恶化。

2 基于页的多任务模型原理与实现

2．1 原理

解决函数重入的关键在于局部变量的分配，可以从8051存储器类型的分析和选择入手。

8051控制器能直接寻址的存储器类型很丰富。在这些类型中，我们注意到了页变量(pdata)及其与众不同的特性。

(1)页变量pdata

根据Intel公司的用户手册，805l的页存储器就是指单字节地址方式操作的外部存储器。使用单字节地址方式时，允许使用P2对外部数据来分页，该方式的操作指令为“MOVX@Ri”。指令中R0或R1提供页内地址(低8位地址)，P2寄存器隐藏地提供页地址(高8位地址)。

单字节地址方式将8051的64 KB外部存储器分成256个页面，如图2所示。其硬件特征如下：①系统的256个页面的存储结构完全一致；②工作页面可以被指定为这256页中的任意一页；③页地址由P2隐式提供给地址总线，且页地址可以由程序修改。



工具方面，Keil C51专用关键字pdata表示单字节方式寻址的外部数据类型，pdata变量即页变量。编译后的页变量具有以下特性：①页变量操作严格对应单字节地址方式；②页变量全部转换成了静态页内地址。

(2)页函数

根据页变量性质，只要函数的所有局部变量都被指定为页变量类型，那么，函数所生成的代码就可以工作于系统任一页面上。

当操作系统为一个函数分配多个页面时，该函数与每一个页面上的局部变量均构成一个进程。

与重入函数不同，这类函数本身不能自动分配变量，因此没有重入性。只有在操作系统的协助下，为其分配工作页后，页函数才是可重入的。页函数中变量使用静态地址，因此其存取速度得到大幅提升，改善了系统的实时性。

为区别Keil C51定义的重入函数(reentrant func-tion)，我们称这种只使用页变量的函数为“基于页的重入函数(page-based reentrant function)”，简称为“页函数”。

2.2 实现

根据原理分析中的可行性，笔者设计了名为Celia的基于页的占先式8051多任务调度内核。沿用μC／OS-II的结构框图与处理流程，在TCB(Task Control Block，任务控制块)中增加一个字节的页面字段，并改写了部分程序。有μC／OS-II为参照，使该调度内核的设计可以很快完成。经过在以W78P438为核心的平台上实测，该系统调度正常，程序运行正确。这证明该重入方案可行。

3 基于页的多任务模型性能分析

基于页的多任务模型的程序结构与μC／OS-II基本一致，其区别主要是页函数与重入函数的区别，因此，这里主要分析页变量存取与重入堆栈变量存取的性能对比。

3.1 优点

(1)更高的变量存取带宽

8051为8位总线接口，单字节存取是其基本操作。研究单字节变量的存取带宽可以从根本上说明页变量的优点。

805l系统操作外部存储器使用的是MOVX指令。执行该指令需要2个机器周期。在标准8051中，1个机器周期为12／fOSC，则总线带宽如式(1)所示。其中fOSC为晶振频率。


如图l，重入函数操作单字节变量i=0xaa，共需要15个机器周期。其中仅计算变量地址就需要12个机器周期。因此，重入堆栈的实际存取带宽如式(2)所示。



相对地，页函数中变量地址是确定的。因为不需要计算地址的额外操作，其变量操作速度比重入堆栈有大幅提高。如图3所示，页函数中操作单字节变量只需要4个机器周期。页变最的实际存取带宽如式(3)：





各种带宽的对比如下：



进一步分析可知，操作多字节变量时，重入函数也只需要计算一次变量地址。故进行单字节变量存取时，重入堆栈的存取带宽就是最低值。

综上所述，相对重入堆栈，存取单字节变量过程中，页函数的带宽加速比达到最大值Rmax=3．75，如式(4)所示。这表示相对于过去的重入函数，页函数具有更高的执行效率和实时性。



另外，如果页函数不需要计算和操作重入堆栈指针，则不需要图1中函数入口和出口处的指针操作(C?ADDXBP)，可再次节省22个(首尾各11)指令周期。