目前嵌入式系統的功能日益復雜。受到設計難度、成本等諸多因素的要求，在單片機系統等低成本而又資源緊缺型的嵌入式系統中，設計簡(jiǎn)潔、穩定且易于調試的多任務(wù)程序，已經(jīng)成為十分重要的軟件技術(shù)。

    Protothreads是一種針對C語(yǔ)言封裝后的宏函數庫，為C語(yǔ)言模擬了一種無(wú)堆棧的輕量線(xiàn)程環(huán)境，能夠實(shí)現模擬線(xiàn)程的條件阻塞、信號量操作等操作系統中特有的機制，從而使程序實(shí)現多線(xiàn)程操作。每個(gè)Protothreads線(xiàn)程僅增加10行代碼和2字節RAM的額外硬件資源消耗^[1]。對于資源緊缺而不能移植嵌入式操作系統的嵌入式系統，使用Protothreads能夠方便直觀(guān)地設計多任務(wù)程序，能夠實(shí)現用線(xiàn)性程序結構處理事件驅動(dòng)型程序和狀態(tài)機程序，簡(jiǎn)化了該類(lèi)程序的設計^[2]。

    常見(jiàn)的嵌入式多任務(wù)程序的設計方法有死循環(huán)方法、狀態(tài)機方法、嵌入式操作系統方法等。這些方法各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并且均在不同的場(chǎng)合得到了廣泛的應用。

    死循環(huán)方法是最常用的多任務(wù)處理方法。其程序結構通常如下：

While（1） {

         if（ condition1 ）

                   task1()；

         if（ condition2 ）

                   task2()；

         ……

}

    實(shí)際程序中往往是用中斷或其他任務(wù)來(lái)觸發(fā)各個(gè)任務(wù)的執行條件。該方法思路簡(jiǎn)潔，沒(méi)有多余的硬件資源消耗，程序的設計和調試都十分便捷。但這種的缺點(diǎn)很明顯：程序無(wú)法保證各個(gè)任務(wù)的并發(fā)執行。如果循環(huán)中某個(gè)任務(wù)需要長(cháng)時(shí)間等待，在這種結構中無(wú)法將其暫時(shí)阻塞，從而導致其他任務(wù)的執行都受到影響。如果程序中有任務(wù)有實(shí)時(shí)性要求，顯然這種程序結構是難以滿(mǎn)足的^[3]。

    有限狀態(tài)機（FSM）方法是一種重要的程序設計方法，有成熟的理論基礎。在事件驅動(dòng)型程序設計以及硬件描述語(yǔ)言程序（如VHDL，Verilog等）設計中，該方法有廣泛的應用，而且有眾多軟件開(kāi)發(fā)工具的支持。

    該方法需要事先建立程序狀態(tài)轉換圖，根據狀態(tài)轉換圖在程序中通過(guò)判斷狀態(tài)標志變量的狀態(tài)，引導程序在各個(gè)任務(wù)之間跳轉，從而實(shí)現多任務(wù)程序。在C語(yǔ)言中，該方法往往通過(guò)switch-case的程序結構來(lái)實(shí)現。同時(shí)，通過(guò)隨時(shí)向指定的任務(wù)跳轉，該程序結構也能夠實(shí)現類(lèi)似于程序阻塞的操作，讓實(shí)時(shí)性要求更高的程序得以及時(shí)執行。狀態(tài)機程序同樣不會(huì )引入過(guò)多的硬件資源消耗，很適合嵌入式環(huán)境。

    該方法的缺點(diǎn)主要在于程序狀態(tài)較多的時(shí)候，程序狀態(tài)圖較難建立。此外狀態(tài)機程序往往是一種網(wǎng)狀的程序結構，程序的設計、維護和調試與其他方法相比難度較大^[2]。

    嵌入式操作系統為嵌入式環(huán)境的多任務(wù)設計提供了完善的解決方法。無(wú)論是面向低端硬件設備的簡(jiǎn)單系統，例如uC/OS-II、Contiki、FreeRTOS等；還是面向高端硬件的例如Windows CE、嵌入式Linux等復雜嵌入式操作系統；均提供了完整的進(jìn)程（線(xiàn)程）環(huán)境、消息郵箱、信號量等機制，以及相應的任務(wù)調度器。能夠十分方便的進(jìn)行多任務(wù)程序設計，同時(shí)通過(guò)各種調度算法滿(mǎn)足各種不同優(yōu)先級任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。

    但該方法也有很多約束性：首先是對硬件資源要求很高，至少是數十KB的RAM以及數百KB的ROM，復雜嵌入式系統甚至要求數MB的RAM和數十MB的ROM，這將帶來(lái)硬件成本巨大上升，但實(shí)際應用中很多場(chǎng)合并不需要這么高端的硬件資源。同時(shí)，復雜的軟硬件環(huán)境使得軟硬件的設計過(guò)程過(guò)于復雜和專(zhuān)業(yè)，設計周期也因此變長(cháng)。此外，嵌入式操作系統多數是商業(yè)軟件，授權費用昂貴，而且硬件上往往需要一系列與之配套的芯片，高昂的成本使得這種方法對于簡(jiǎn)單嵌入式設備并不適合。

    Protothreads是由瑞典計算機科學(xué)研究院的Adam Dunkels編寫(xiě)的基于C語(yǔ)言的宏函數庫，通過(guò)該宏函數庫為C語(yǔ)言模擬了一種輕量級的無(wú)堆棧線(xiàn)程環(huán)境，從而實(shí)現類(lèi)似多線(xiàn)程的程序。

    在Protothreads庫中，PT_INIT()、PT_THREAD()操作用來(lái)初始化和聲明一個(gè)Protothreads線(xiàn)程，PT_BEGIN()、PT_END()操作用來(lái)開(kāi)始和結束一個(gè)Protothreads線(xiàn)程，PT_WAIT_UNTIL()、PT_WAIT_WHILE()操作用來(lái)實(shí)現Protothreads線(xiàn)程的條件阻塞或等待，PT_SEM_INIT()、PT_SEM_SIGNAL()、PT_SEM_WAIT()用于實(shí)現Protothreads線(xiàn)程信號量的各種操作，此外還有線(xiàn)程的派生、重啟等操作^[4]。

    Protothreads使用ANSI C編寫(xiě)，可以在不同的編譯器間方便的移植，在工程中加入Protothreads的源碼，并在相應的程序中引用其頭文件即可。Protothreads引入的額外硬件資源消耗極小，十分方便在資源緊缺的小型嵌入式系統中使用。尤其對于事件驅動(dòng)型程序，使用Protothreads能使代碼結構更加清晰、線(xiàn)性化。Protothreads能夠有效地替代狀態(tài)機方法，或者輔助減少程序的狀態(tài)個(gè)數，簡(jiǎn)化狀態(tài)機程序的編寫(xiě)。

    Protothreads是開(kāi)源軟件，鑒于其種種優(yōu)勢，Protothreads在許多著(zhù)名的軟件項目中得到廣泛應用，例如嵌入式操作系統Contiki和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP^[2]。

    以下使用一個(gè)數字鐘程序來(lái)展示Protothreads的基本用法，在該程序中，時(shí)、分、秒的計數分別采用三個(gè)Protothreads線(xiàn)程來(lái)完成。該程序在PC機上運行檢驗，直接使用系統函數sleep()來(lái)計時(shí)一秒鐘，在實(shí)際的嵌入式系統中，可以使用相應的硬件定時(shí)器來(lái)實(shí)現。主函數如下：

/*包含pt.h頭文件后即可使用Protothreads*/

#include <stdio.h>

#include <windows.h>

#include "pt.h"

 

/*由于Protothreads線(xiàn)程沒(méi)有各自的堆棧，

所以需要靜態(tài)變量來(lái)保存各個(gè)線(xiàn)程的參數*/

static struct pt pt_h，pt_m，pt_s；

/*分別用于存儲時(shí)、分、秒的計數值*/

static int ihour=0，iminute=0，isecond=0；

/*分鐘和秒鐘的進(jìn)位標志位*/

static int c_s=0，c_m=0；

/*用于模擬秒鐘的標志位*/

static int clk=0；

 

int main（void） {

/*分別初始化三個(gè)線(xiàn)程*/

PT_INIT（&pt_h）；

PT_INIT（&pt_m）；

PT_INIT（&pt_s）；

while（1） {

                   /*循環(huán)調用三個(gè)線(xiàn)程*/

                   PT_SCHEDULE（ second（&pt_s） ）；

                   PT_SCHEDULE（ minute（&pt_m） ）；

                   PT_SCHEDULE（ hour（&pt_h） ）；

 

                   /*使用系統函數來(lái)計數一秒鐘*/

                   sleep（1）；

                   clk = 1；

                   /*輸出時(shí)間*/

                   printf（"Time --- %d：%d：%d\n"，ihour，iminute，isecond）；

                   }

         return 0；

}

 

分別實(shí)現時(shí)、分、秒計數的三個(gè)Protothreads線(xiàn)程如下：

/*計數小時(shí)的線(xiàn)程*/

PT_THREAD（ hour（ struct pt * pt ） ） {

/*線(xiàn)程的開(kāi)始*/

PT_BEGIN（pt）；

/*Protothreads的條件阻塞機制，這里用于等待分鐘的進(jìn)位*/

PT_WAIT_UNTIL（ pt，c_m==1 ）；

/*上面的條件滿(mǎn)足時(shí)，下面的代碼才得以運行*/

c_m = 0；

if（ihour == 23）

                   ihour = 0；

else

                   ihour++；

/*線(xiàn)程的結束*/

PT_END（pt）；

}

 

/*計數分鐘的線(xiàn)程*/

PT_THREAD（ minute（ struct pt * pt ） ） {

PT_BEGIN（pt）；

/*條件阻塞，等待秒鐘的進(jìn)位*/

PT_WAIT_UNTIL（ pt，c_s==1 ）；

/*上面的條件滿(mǎn)足時(shí)，下面的代碼才得以運行*/

c_s = 0；

if（iminute == 59） {

                   c_m = 1；

                   iminute = 0；

}

else

                   iminute ++；

PT_END（pt）；

}

 

/*計數秒鐘的線(xiàn)程*/

PT_THREAD（ second（struct pt * pt） ） {

PT_BEGIN（pt）；

/*條件阻塞，等待秒鐘信號的發(fā)生*/

PT_WAIT_UNTIL（ pt，clk==1 ）；

/*上面的條件滿(mǎn)足時(shí)，下面的代碼才得以運行*/

clk = 0；

if（isecond == 59） {

                   isecond = 0；

                   c_s = 1；

}

else

                   isecond++；

PT_END（pt）；

}

    該程序經(jīng)測試運行正確。由該程序可以看出，使用Protothreads線(xiàn)程可以讓不滿(mǎn)足運行條件的線(xiàn)程自我阻塞，從而讓其他線(xiàn)程得以及時(shí)執行。程序的結構清晰化，使得多任務(wù)處理、條件阻塞等機制在一般地程序中得以實(shí)現。

    雖然Protothreads具有占用資源少、方便多任務(wù)處理等優(yōu)點(diǎn)，但由于其本質(zhì)上僅僅是對一些C程序的封裝，并不是真正的線(xiàn)程。所以與真正的操作系統線(xiàn)程相比，Protothreads線(xiàn)程具有一些局限性^[1]：

    （1）Protothreads線(xiàn)程不具備各自的堆棧，而是采用所有線(xiàn)程共享主程序的堆棧的方式。這雖然能夠極大地減少硬件資源的消耗，但也使得每個(gè)Protothreads線(xiàn)程無(wú)法保存各自的局部變量，而必須通過(guò)靜態(tài)變量來(lái)保存必要的數據。

    （2）Protothreads雖然提供了在各自線(xiàn)程內的條件阻塞機制，但對于在該線(xiàn)程內調用的其它函數，則無(wú)法阻塞其運行。所以，如果要在線(xiàn)程內調用占用時(shí)間較多的函數，為保證各個(gè)線(xiàn)程的實(shí)時(shí)性要求，需要將這類(lèi)函數進(jìn)一步劃分為更小的函數，分步執行。

    （3）使用ANSI C實(shí)現的Protothreads庫采用了封裝switch-case語(yǔ)句的方法，因此，按照C語(yǔ)言語(yǔ)法的要求，Protothreads不能與switch-case語(yǔ)句混用。但是，Protothreads庫的另一種實(shí)現方式是采用了GCC編譯器的一些擴展特性，這樣的Protothreads庫能夠克服該缺點(diǎn)，但具有編譯器的依賴(lài)性。

    本文通過(guò)與一般嵌入式多任務(wù)程序設計方法的對比，分析了Protothreads在設計嵌入式多任務(wù)程序方面的優(yōu)勢，通過(guò)一個(gè)實(shí)例展示了Protothreads的基本使用方法，并分析了Protothreads的局限性。Protothreads為嵌入式環(huán)境的多任務(wù)程序設計和事件驅動(dòng)程序設計提供了一種有效地處理方法，使得程序的設計、維護和調試更加便捷，對于嵌入式軟件開(kāi)發(fā)有較大的參考價(jià)值。

    [1] Adam Dunkels，Oliver Schmidt. Lightweight，Stackless Threads in C[R]. Sweden：Swedish Institute of Computer Science，2005

    [2] Adam Dunkels，Oliver Schmidt，Thiemo Voigt. Protothreads：Simplifying Event - Driven Programming of Memory -Constrained Embedded Systems. Proceedings of the Fourth ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems，2006[C]. Boulder，Colorado，USA，November 2006

    [3] 羅光平，郭衛鋒．利用Protothread實(shí)現實(shí)時(shí)多任務(wù)系統[J]．單片機與嵌入式系統應用，2008（5）：32-35

    [4] Adam Dunkels. The Protothreads Library 1.4 Reference Manual[M/OL]. http：//www.sics.se/~adam/pt/publications.html

    收稿日期：5 月 18 日   修改日期：6 月 24 日