如今，多任务处理很重要。我想知道我们如何在微控制器和嵌入式编程中实现它。我正在设计一个基于 PIC 微控制器的系统。我在 MplabX IDE 中使用 C 设计了它的固件，然后在 Visual Studio 中使用 C# 为它设计了一个应用程序。
由于我已经习惯在桌面上使用 C# 编程中的线程来实现并行任务，有没有办法在我的微控制器代码中做同样的事情？MplabX IDE 提供pthreads.h但它只是一个没有实现的存根。我知道有 FreeRTOS 支持，但使用它会使您的代码更加复杂。一些论坛说中断也可以用作多任务，但我不认为中断等同于线程。
我正在设计一个将一些数据发送到 UART 的系统，同时它需要通过（有线）以太网将数据发送到网站。用户可以通过网站控制输出，但输出会延迟 2-3 秒打开/关闭。所以这就是我面临的问题。微控制器中的多任务处理有什么解决方案吗？
有两种主要类型的多任务操作系统，抢占式和协作式。两者都允许在系统中定义多个任务，不同之处在于任务切换的工作方式。当然，对于单个核心处理器，一次实际上只运行一个任务。
两种类型的多任务操作系统都需要为每个任务使用单独的堆栈。所以这意味着两件事：首先，处理器允许将堆栈放置在 RAM 中的任何位置，因此具有移动堆栈指针 (SP) 的指令——即没有像低端那样的专用硬件堆栈PIC的。这不包括 PIC10、12 和 16 系列。
您几乎可以完全用 C 编写操作系统，但 SP 移动的任务切换器必须在汇编中。我曾多次为 PIC24、PIC32、8051 和 80x86 编写任务切换器。根据处理器的体系结构，胆量完全不同。
第二个要求是有足够的 RAM 来提供多个堆栈。通常，一个堆栈至少需要几百个字节；但是即使每个任务只有 128 字节，八个堆栈也需要 1K 字节的 RAM——尽管您不必为每个任务分配相同大小的堆栈。请记住，您需要足够的堆栈来处理当前任务以及对其嵌套子例程的任何调用，还需要堆栈空间来进行中断调用，因为您永远不知道何时会发生中断调用。
有相当简单的方法可以确定您为每个任务使用了多少堆栈；例如，您可以将所有堆栈初始化为特定值，例如 0x55，然后运行系统一段时间，然后停止并检查内存。
你没有说你想使用什么样的PIC。大多数 PIC24 和 PIC32 将有足够的空间来运行多任务操作系统；PIC18（唯一在 RAM 中有堆栈的 8 位 PIC）的最大 RAM 大小为 4K。所以这很不确定。
通过协作多任务处理（两者中较简单的一种），任务切换仅在任务“放弃”其控制权返回给操作系统时完成。每当任务需要调用操作系统例程来执行它将等待的某些功能时，就会发生这种情况，例如 I/O 请求或计时器调用。这使得 OS 更容易切换堆栈，因为不需要保存所有的寄存器和状态信息，SP 可以切换到另一个任务（如果没有其他任务准备运行，则空闲堆栈是给予控制）。如果当前任务不需要进行操作系统调用但已经运行了一段时间，它需要主动放弃控制以保持系统响应。
协作多任务处理的问题是，如果任务从不放弃控制，它会占用系统。只有它和任何碰巧获得控制的中断例程才能运行，因此操作系统似乎会锁定。这是这些系统的“合作”方面。如果实现了仅在执行任务切换时重置的看门狗定时器，则可以捕获这些错误任务。
Windows 3.1 和更早的版本是协作操作系统，这也是它们性能不那么出色的部分原因。
抢先式多任务处理更难实现。在这里，任务不需要手动放弃控制，而是可以给每个任务一个最大的运行时间（比如 10 毫秒），然后执行任务切换到下一个可运行任务（如果有的话）。这需要任意停止一个任务，保存所有状态信息，然后将 SP 切换到另一个任务并启动它。这使得任务切换器更加复杂，需要更多的堆栈，并且稍微降低了系统速度。
对于协作式和抢占式多任务处理，任何时候都可能发生中断，这将暂时抢占正在运行的任务。
正如 supercat 在评论中指出的那样，协作式多任务处理的一个优势是更容易共享资源（例如，多通道 ADC 等硬件或修改链表等软件）。有时两个任务想要同时访问同一个资源。通过抢占式调度，操作系统可以使用资源在一个任务的中间切换任务。所以锁是必要的，以防止另一个任务进入并访问相同的资源。对于协作式多任务处理，这不是必需的，因为任务控制何时将其自身释放回操作系统。
线程由操作系统提供。在嵌入式世界中，我们通常没有操作系统（“裸机”）。所以这留下了以下选项：
我建议您使用适用于您的应用程序的上述最简单的方案。根据您的描述，我会让主循环生成数据包并将它们放入循环缓冲区。然后有一个基于 UART ISR 的驱动程序，只要前一个字节完成发送就会触发，直到发送缓冲区，然后等待更多缓冲区内容。以太网的类似方法。
与任何单核处理器一样，不可能进行真正的软件多任务处理。因此，您必须注意以一种方式在多个任务之间切换。不同的 RTOS 正在处理这个问题。他们有一个调度程序，并根据系统滴答声，他们将在不同的任务之间切换，为您提供多任务处理能力。
这样做所涉及的概念（上下文保存和恢复）非常复杂，因此手动执行此操作可能会很困难，并且会使您的代码更加复杂，并且因为您以前从未这样做过，所以其中会出现错误。我的建议是使用经过测试的 RTOS，就像 FreeRTOS 一样。
您提到中断提供了一定程度的多任务处理。这是真的。中断将在任何时候中断您当前的程序并在那里执行代码，它类似于一个两个任务系统，其中一个任务具有低优先级，另一个任务具有高优先级，在调度程序的一个时间片内完成。
因此，您可以为循环定时器编写一个中断处理程序，它将通过 UART 发送一些数据包，然后让程序的其余部分执行几毫秒并发送接下来的几个字节。这样你就可以获得有限的多任务处理能力。但是你也会有一个相当长的中断，这可能是一件坏事。
在单核 MCU 上同时执行多项任务的唯一真正方法是使用 DMA 和外围设备，因为它们独立于内核工作（DMA 和 MCU 共享相同的总线，因此在两者都处于活动状态）。因此，当 DMA 将字节改组到 UART 时，您的内核可以自由地将内容发送到以太网。
其他答案已经描述了最常用的选项（主循环、ISR、RTOS）。这是另一种折衷方案：Protothreads。它基本上是一个非常轻量级的线程库，它使用主循环和一些 C 宏来“模拟”一个 RTOS。当然，它不是完整的操作系统，但对于“简单”线程来说，它可能很有用。