適應(yīng)實(shí)時(shí)多任務(wù)的微控制器高效指令支持

摘要：開(kāi)發(fā)高效的實(shí)時(shí)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?jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，減少程序代碼，增強(qiáng)實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。本文提出了一些適應(yīng)實(shí)時(shí)多任務(wù)的微控制器高效指令功能設(shè)計(jì)。

    關(guān)鍵詞：微控制器 實(shí)時(shí)多任務(wù) 指令

微控制器系統(tǒng)即國(guó)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(duì)微處理機(jī)系統(tǒng)而言比較簡(jiǎn)單，但由于多數(shù)情況下需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，而且經(jīng)常要同時(shí)處理多個(gè)對(duì)象的協(xié)同工作，因此，不僅對(duì)程序的運(yùn)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(duì)簡(jiǎn)單的前提下才能實(shí)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(chǔ)容量。在這樣的局面中，想要實(shí)現(xiàn)較高的運(yùn)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(yǔ)言，其優(yōu)缺點(diǎn)已眾所周知。隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，器件的性能價(jià)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(jí)語(yǔ)言編制微控制器應(yīng)用系統(tǒng)的軟件是必然的趨勢(shì)；而且微控制器中能進(jìn)行算術(shù)運(yùn)行和邏輯運(yùn)算的運(yùn)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(yùn)算的單元個(gè)數(shù)、間址訪問(wèn)的能力等因素，將直接影響高級(jí)語(yǔ)言生成機(jī)器代碼的難易程度。為完成某一運(yùn)算，不能只計(jì)算運(yùn)算本身所需的時(shí)間，還要考慮建立本處理環(huán)境所需的時(shí)間、取運(yùn)算對(duì)象與保存運(yùn)算結(jié)果的輔助操作時(shí)間、以及所占用的指令空間。簡(jiǎn)言之，要考慮所有影響6代碼效率和運(yùn)行效率的因素。

轉(zhuǎn)移控制指令是直接影響程序運(yùn)行的，但其前提是狀態(tài)檢測(cè)或者關(guān)系運(yùn)算的結(jié)果；而狀態(tài)檢測(cè)需要位尋址能力的支持，關(guān)系運(yùn)算又必須訪問(wèn)兩個(gè)對(duì)象，所以，位尋址能力、數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力、數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式都與程序的運(yùn)行效率有關(guān)。根據(jù)作者多年編制實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的體會(huì)，針對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)應(yīng)用，就高效率的微控制器數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力、方式與轉(zhuǎn)移控制指令設(shè)計(jì)而言，應(yīng)具備以下四方面性能。

1.指令的關(guān)系運(yùn)算能力

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

在8位機(jī)系統(tǒng)中，運(yùn)算功能一般都支持無(wú)符號(hào)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(hào)的比較，并且要求有多個(gè)運(yùn)算單元都支持關(guān)系運(yùn)算。如果常用的一些功能單元個(gè)數(shù)較少，則當(dāng)進(jìn)程切換時(shí)，要花費(fèi)時(shí)間置換資源。假如微控制器中只有一個(gè)寄存器能進(jìn)行關(guān)系運(yùn)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(jià)是指令數(shù)目與運(yùn)行時(shí)間的增加，那將極大地影響程序運(yùn)行效率。例如，要根據(jù)兩個(gè)關(guān)系運(yùn)算的結(jié)果決定處理策略，首先，要將第一次關(guān)系運(yùn)算的邏輯結(jié)果保存起來(lái)，可能還需要保留運(yùn)算后的數(shù)據(jù)結(jié)果，再裝入第二次需要的運(yùn)算對(duì)象。其最小代價(jià)是多中用一條指令的存儲(chǔ)空間和一次裝入所需的運(yùn)算時(shí)間，而且沒(méi)有任何的額外收益。此外，多任務(wù)運(yùn)行時(shí)將頻繁產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中，必須騰出運(yùn)算器，又要多占用一個(gè)堆�？臻g來(lái)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(chǔ)空間和運(yùn)行時(shí)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(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用的。現(xiàn)在，許多微控制器都采用寄存器組的結(jié)構(gòu)，每一個(gè)寄

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