单片机裸机多任务处理：状态机、协作调度等5种方法详解

很多初学者在使用资源有限的单片机时，往往会面临一个困境：系统跑不动实时操作系统（RTOS），却又需要同时处理多个任务，该如何实现？

实际上，在裸机环境下，通过巧妙的设计，我们同样可以实现多任务“并行”处理的效果。这里的“并行”并非指物理上真正的同一时刻执行，而是通过任务的快速切换，在宏观上让多个任务看起来是同时运行的。

什么是多任务处理

在单核单片机中，真正的并发执行是不存在的。通常所说的多任务并行，本质上是任务之间的快速切换与交替执行。得益于单片机的高速运行特性，只要任务切换得当，给人的感觉就是多个任务在同时推进。这就像一边吃饭一边看电视，虽然动作是交替进行的，但整体的体验是并行的。

单片机的多任务模拟也是如此，关键在于运用一些技巧来合理地分配 CPU 的时间片段，确保没有任何一个任务长时间独占处理器资源。

实现多任务的方法

1. 轮询

轮询是最基础、最直观的一种方法。在主程序中编写一个无限循环，在循环体内依次检查并执行各个子任务。例如，先读取传感器数据，再更新显示内容，最后检查按键状态。每个任务只完成一小部分工作，然后立即切换到下一个任务。

• 优点：实现极其简单，非常适合任务数量少、复杂度低的场景。
• 缺点：如果某个任务耗时较长（例如一个冗长的计算或等待），其他所有任务都不得不等待它完成，可能导致系统整体响应不及时。这就好比洗碗时一直不停手，就无法腾出手来接听突然响起的电话。

2. 中断驱动

中断是单片机提供的一项强大功能，它允许外部事件（如按键按下、定时器超时）或内部事件打断主程序的正常执行流，立即去执行对应的中断服务程序。我们可以利用中断来处理对实时性要求高或需要定时触发的任务。

通常的做法是，将实时性要求最高的任务（如精确计时、紧急信号响应）放置在中断服务程序中，而将非紧急的、后台运行的任务放在主循环里处理。这样，中断可以随时“插队”处理紧急事务，保证了系统的及时响应能力。

• 优点：能显著提高对异步事件的响应速度。
• 需要注意：中断服务程序应尽量保持短小精悍，避免执行耗时操作。如果中断处理时间过长，会严重阻塞主程序的运行，反而影响系统整体性能。

3. 状态机

状态机是一种优秀的编程思想，它将一个复杂的任务分解为若干个离散的状态，并定义状态之间转移的条件。例如，控制一个 LED 灯闪烁，可以划分为“亮”和“灭”两种状态，通过定时切换状态来实现闪烁效果。

在程序中，为每个任务设计好状态图。在主循环中，根据每个任务当前的状态执行相应的一小步操作，然后根据条件判断并更新其状态。这样一来，多个任务可以各自维护其内部状态，并在主循环中逐步推进，彼此之间不会形成阻塞。

• 优点：程序结构清晰，易于扩展、维护和调试，非常适合处理逻辑复杂的任务。如同烹饪一道菜肴，无需一口气完成，可以分解为备料、翻炒、调味、装盘等多个步骤，每个步骤之间都可以灵活地穿插处理其他事务。

4. 协作式多任务

这种方法要求每个任务具备“合作”精神，能够主动、自觉地让出 CPU 的控制权。每个任务在执行一段时间后，自愿暂停自身运行，将执行权交还给调度器，以便其他任务得以运行。

这通常需要一个简易的任务调度器来管理任务列表，按预定顺序让每个任务执行一小段代码。我们需要定义多个任务函数，每个函数在执行完一部分工作后就主动返回。主循环或调度器负责依次调用这些函数，并可能借助标志位或条件判断来控制任务切换。

• 优点：比简单的轮询更为灵活，任务可以设计得相对独立。
• 缺点：系统的稳健性依赖于所有任务的“友好”合作。如果某个任务因设计缺陷（如陷入死循环）而拒绝让出 CPU，那么整个系统将会被该任务完全阻塞。

5. 时间片轮转

这种方法利用定时器中断，将 CPU 时间划分为固定长度的小片段，即“时间片”（例如每个时间片为 10 毫秒）。每次定时器中断发生时，就强制切换到下一个就绪的任务去执行。

实现上，可以设置一个定时器中断，在中断服务程序中更新当前应执行的任务索引。主循环则根据这个索引来执行对应的任务函数。或者，也可以直接在定时器中断中调用当前任务的一小段代码。

• 优点：能够实现接近 RTOS 的公平调度效果，每个任务都能定期获得 CPU 时间，响应相对均匀。
• 需要注意：时间片大小的设置需要权衡。时间片太短，会导致任务切换过于频繁，系统开销增大；时间片太长，则会影响任务的实时响应性。

如何选择适合的方法

对于简单的项目，例如仅需控制几个 LED 灯并读取一个传感器数据，使用轮询或状态机通常就足够了。

如果系统对实时性要求很高，例如需要精确控制电机转速或快速响应按键动作，那么引入中断驱动机制是必要的。

当任务数量较多且逻辑较为复杂时，可以考虑结合状态机和协作式多任务的设计思想。若想进一步提升调度效率和公平性，则可以引入时间片轮转机制。

在裸机环境下实现多任务处理，其核心要义在于分解、分时、有序切换——将大任务拆解为小步骤，并让它们在 CPU 上快速轮转执行。对于大多数中小型的单片机应用而言，熟练掌握并组合运用上述几种方法，已经完全可以满足开发需求。当你的项目发展到任务数量超过十个，且任务间的依赖、通信关系复杂到难以通过裸机代码清晰管理时，才是考虑引入 RTOS 的合适时机。