適應(yīng)實時多任務(wù)的微控制器高效指令支持

摘要：開發(fā)高效的實時多任務(wù)微控制器系統(tǒng)，除了采用高速器件之外，適當(dāng)?shù)闹噶钪С帜芎喕�控制結(jié)構(gòu)，減少程序代碼，增強(qiáng)實時響應(yīng)能力。本文提出了一些適應(yīng)實時多任務(wù)的微控制器高效指令功能設(shè)計。

    關(guān)鍵詞：微控制器 實時多任務(wù) 指令

微控制器系統(tǒng)即國內(nèi)通常所稱的單片機(jī)系統(tǒng)，主要用于物理設(shè)備的接口和直接控制。雖然控制邏輯相對微處理機(jī)系統(tǒng)而言比較簡單，但由于多數(shù)情況下需要實時響應(yīng)，而且經(jīng)常要同時處理多個對象的協(xié)同工作，因此，不僅對程序的運行效率有較高的要求，還要求微控制器具備較強(qiáng)的多任務(wù)處理能力。另一方面，由于量大面廣，以及具體應(yīng)用條件的限制，希望微控制器的成本要低；而這又只有在微控制器的硬件結(jié)構(gòu)相對簡單的前提下才能實現(xiàn)，這就限制了微控制器的指令、程序代碼空間以及數(shù)據(jù)存儲容量。在這樣的局面中，想要實現(xiàn)較高的運行效率，就只有加強(qiáng)微控制器指令的功能和靈活性。

至今，絕大多數(shù)微控制器程序的編制仍使用匯編語言，其優(yōu)缺點已眾所周知。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，器件的性能價格比顯著提高，各種面向嵌入式應(yīng)用的微控制器系統(tǒng)模塊向商品化發(fā)展。微控制器系統(tǒng)的成本中，軟件比例不斷增加，使用高級語言編制微控制器應(yīng)用系統(tǒng)的軟件是必然的趨勢；而且微控制器中能進(jìn)行算術(shù)運行和邏輯運算的運算器結(jié)構(gòu)、可以直接與數(shù)據(jù)總線交換數(shù)據(jù)并進(jìn)行關(guān)系運算的單元個數(shù)、間址訪問的能力等因素，將直接影響高級語言生成機(jī)器代碼的難易程度。為完成某一運算，不能只計算運算本身所需的時間，還要考慮建立本處理環(huán)境所需的時間、取運算對象與保存運算結(jié)果的輔助操作時間、以及所占用的指令空間。簡言之，要考慮所有影響6代碼效率和運行效率的因素。

轉(zhuǎn)移控制指令是直接影響程序運行的，但其前提是狀態(tài)檢測或者關(guān)系運算的結(jié)果；而狀態(tài)檢測需要位尋址能力的支持，關(guān)系運算又必須訪問兩個對象，所以，位尋址能力、數(shù)據(jù)訪問能力、數(shù)據(jù)訪問方式都與程序的運行效率有關(guān)。根據(jù)作者多年編制實時應(yīng)用程序的體會，針對實時多任務(wù)應(yīng)用，就高效率的微控制器數(shù)據(jù)訪問能力、方式與轉(zhuǎn)移控制指令設(shè)計而言，應(yīng)具備以下四方面性能。

1.指令的關(guān)系運算能力

關(guān)系運算是控制程序轉(zhuǎn)移的前提，其運算能力由兩個方面組成：一是運算功能；二是運算單元數(shù)目。

在8位機(jī)系統(tǒng)中，運算功能一般都支持無符號的大于、小于、等于、不等于比較；在16位機(jī)系統(tǒng)中，還應(yīng)支持有符號的比較，并且要求有多個運算單元都支持關(guān)系運算。如果常用的一些功能單元個數(shù)較少，則當(dāng)進(jìn)程切換時，要花費時間置換資源。假如微控制器中只有一個寄存器能進(jìn)行關(guān)系運算，必須經(jīng)常進(jìn)行中間結(jié)果的換位存取。這些額外操作的代價是指令數(shù)目與運行時間的增加，那將極大地影響程序運行效率。例如，要根據(jù)兩個關(guān)系運算的結(jié)果決定處理策略，首先，要將第一次關(guān)系運算的邏輯結(jié)果保存起來，可能還需要保留運算后的數(shù)據(jù)結(jié)果，再裝入第二次需要的運算對象。其最小代價是多中用一條指令的存儲空間和一次裝入所需的運算時間，而且沒有任何的額外收益。此外，多任務(wù)運行時將頻繁產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中，必須騰出運算器，又要多占用一個堆�？臻g來保存斷中數(shù)據(jù)，以及一次進(jìn)棧、一次出棧的兩條指令的存儲空間和運行時間。這些都是在微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中的寶貴資源，因此，這樣的微控制器是不適應(yīng)實時多任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用的�，F(xiàn)在，許多微控制器都采用寄存器組的結(jié)構(gòu)，每一個寄

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