關鍵詞 805l 重入堆棧 多任務模型 實時 頁變量
隨著8051微控制器性能的不斷提高，使用多任務操作系統對單片機進行資源管理已成為當代開發的需要。由于受靜態鏈接的限制，8051系統的多任務開發需要處理代碼重入(reentrance)的問題。
為了實現重入，通常可以利用Keil C51的關鍵字reentrant，將函數聲明為重人類型。通過在重入堆棧分配局部變量，使函數具有可重入性；但該重入方案的實時性較差。
為提高多任務系統的實時性，本文介紹一種新方案——基于頁的多任務模型。
1 重入函數的原理與不足
當使用Kcil C51的關鍵字reentrant來指定函數屆性時，即得重入函數(reentrant function)。
1．1 重入函數的原理
重入函數的原理是Keil C編譯器建立一個軟件操作的重入堆棧。重入函數能自動為不同的調用者在重入堆棧中分配獨立局部變量，使函數具備重入性。
變量分配過程如圖l所示，函數人口首先申請存儲空間。函數返回前，必須將所申請的存儲空間歸還。變量分配和回收的位置都是重入堆棧的棧頂。
1.2 重入函數的不足
重入堆棧的最大缺點為效率低，Keil C51用戶手冊中已有明確記載。
由圖l可作以下分析：首先，每次使用局部變量都需要計算變量地址，大大降低了變量存取速度，也消耗了處理器時間；其次，因為重入堆棧是純軟件實現的，因此反復進行的堆棧操作使重入函數的實時性進一步惡化。
2 基于頁的多任務模型原理與實現
2．1 原理
解決函數重入的關鍵在于局部變量的分配，可以從8051存儲器類型的分析和選擇入手。
8051控制器能直接尋址的存儲器類型很豐富。在這些類型中，我們注意到了頁變量(pdata)及其與眾不同的特性。
(1)頁變量pdata
根據Intel公司的用戶手冊，805l的頁存儲器就是指單字節地址方式操作的外部存儲器。使用單字節地址方式時，允許使用P2對外部數據來分頁，該方式的操作指令為“MOVX@Ri”。指令中R0或R1提供頁內地址(低8位地址)，P2寄存器隱藏地提供頁地址(高8位地址)。
單字節地址方式將8051的64 KB外部存儲器分成256個頁面，如圖2所示。其硬件特征如下：①系統的256個頁面的存儲結構完全一致；②工作頁面可以被指定為這256頁中的任意一頁；③頁地址由P2隱式提供給地址總線，且頁地址可以由程序修改。
工具方面，Keil C51專用關鍵字pdata表示單字節方式尋址的外部數據類型，pdata變量即頁變量。編譯后的頁變量具有以下特性：①頁變量操作嚴格對應單字節地址方式；②頁變量全部轉換成了靜態頁內地址。
(2)頁函數
根據頁變量性質，只要函數的所有局部變量都被指定為頁變量類型，那么，函數所生成的代碼就可以工作于系統任一頁面上。
當操作系統為一個函數分配多個頁面時，該函數與每一個頁面上的局部變量均構成一個進程。
與重入函數不同，這類函數本身不能自動分配變量，因此沒有重入性。只有在操作系統的協助下，為其分配工作頁后，頁函數才是可重入的。頁函數中變量使用靜態地址，因此其存取速度得到大幅提升，改善了系統的實時性。
為區別Keil C51定義的重入函數(reentrant func-tion)，我們稱這種只使用頁變量的函數為“基于頁的重入函數(page-based reentrant function)”，簡稱為“頁函數”。
2.2 實現
根據原理分析中的可行性，筆者設計了名為Celia的基于頁的占先式8051多任務調度內核。沿用μC／OS-II的結構框圖與處理流程，在TCB(Task Control Block，任務控制塊)中增加一個字節的頁面字段，并改寫了部分程序。有μC／OS-II為參照，使該調度內核的設計可以很快完成。經過在以W78P438為核心的平臺上實測，該系統調度正常，程序運行正確。這證明該重入方案可行。
3 基于頁的多任務模型性能分析
基于頁的多任務模型的程序結構與μC／OS-II基本一致，其區別主要是頁函數與重入函數的區別，因此，這里主要分析頁變量存取與重入堆棧變量存取的性能對比。
3.1 優點
(1)更高的變量存取帶寬
8051為8位總線接口，單字節存取是其基本操作。研究單字節變量的存取帶寬可以從根本上說明頁變量的優點。
805l系統操作外部存儲器使用的是MOVX指令。執行該指令需要2個機器周期。在標準8051中，1個機器周期為12／fOSC，則總線帶寬如式(1)所示。其中fOSC為晶振頻率。
如圖l，重入函數操作單字節變量i=0xaa，共需要15個機器周期。其中僅計算變量地址就需要12個機器周期。因此，重入堆棧的實際存取帶寬如式(2)所示。
相對地，頁函數中變量地址是確定的。因為不需要計算地址的額外操作，其變量操作速度比重入堆棧有大幅提高。如圖3所示，頁函數中操作單字節變量只需要4個機器周期。頁變最的實際存取帶寬如式(3)：
