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引言 在簡(jiǎn)單的單片機應用系統中，前／后臺系統被廣泛應用。其中應用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，循環(huán)中調用相應的函數完成相應的操作。這部分可以看作后臺行為，也稱(chēng)為任務(wù)級；中斷服務(wù)程序處理異步事件，可以看作前臺，也叫中斷級，時(shí)間相關(guān)性很強的操作靠中斷服務(wù)程序來(lái)保證。中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺程序運行到該處理這個(gè)信息時(shí)才能得到處理，最壞情況下，響應時(shí)間等于整個(gè)循環(huán)的執行時(shí)間。隨著(zhù)單片機應用系統的復雜化，前／后臺系統已不能滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性的要求，這就需要一個(gè)嵌入式的實(shí)時(shí)操作系統來(lái)管理和協(xié)調多個(gè)任務(wù)和中斷。 目前在單片機上運行的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統主要有μC／OS、RTX51 Full和RTX51 Tiny。μC／OS是Jean J．Labrosse先生編寫(xiě)的源碼開(kāi)放的實(shí)時(shí)內核，可適用于8／16／32位的單片機、ARM和DSP等微控制器和微處理器，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。但是μC／Os實(shí)時(shí)操作系統規模較大，相對于處理能力有限的單片機來(lái)說(shuō)有些勉強，并且大多需要外擴RAM運行，這給應用系統軟硬件設計都帶來(lái)不便。 RTX51是德國Keil公司開(kāi)發(fā)的一種小型的專(zhuān)門(mén)應用于McS-51系列單片機的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，它有RTX51 Full和RTX51 Tiny兩個(gè)版本。RTX51 Full無(wú)源碼，自身代碼有6 KB多，運行時(shí)需要大量的外部RAM，不利于學(xué)習和使用；RTX51 Tiny較為簡(jiǎn)單，但是任務(wù)沒(méi)有優(yōu)先級和中斷管理，很多時(shí)候并不實(shí)用。SmallRTOS51是陳明計先生為51系列單片機編寫(xiě)的源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)操作系統，支持任務(wù)優(yōu)先級和中斷管理，RAM需求量小，非常適合在單片機上運行。本文將在簡(jiǎn)要介紹Small RTOS51實(shí)時(shí)操作系統的基礎上，結合具體應用實(shí)例詳細說(shuō)明Small RTOS51環(huán)境下的多任務(wù)串行通信。 1 Small RTOS51簡(jiǎn)介 Small RTOS51嵌入式實(shí)時(shí)操作系統具有以下特點(diǎn)： ①公開(kāi)源代碼，任何人都可以免費獲取。 ②可移植、可固化，雖然是為51系列單片機編寫(xiě)，但是比較容易移植到其他MECU上，并可以固化到產(chǎn)品中，成為產(chǎn)品的一部分。 ③占先式，支持16個(gè)優(yōu)先級不同的用戶(hù)任務(wù)以搶占式運行。 ④中斷管理，系統支持中斷管理功能，中斷嵌套層數可達255層。 ⑤RAM需求量小，Small RTOS51為小RAM系統設計，128個(gè)RAM單元就可以運行。通常單片機不需要外擴RAM就能運行Small RTOS51實(shí)時(shí)操作系統。 下面簡(jiǎn)要介紹Small RTOS51的任務(wù)管理和任務(wù)間的通信與同步。 1．1 Small RTOS51的任務(wù)管理 Small RTOS51實(shí)時(shí)操作系統中，任務(wù)必須是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，每個(gè)任務(wù)必須賦予不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級數值越小，優(yōu)先級越高。在任意時(shí)刻，任務(wù)的狀態(tài)必處于以下4 種狀態(tài)之一： ①運行，任務(wù)獲得CPU后開(kāi)始執行； ②就緒，任務(wù)只等待系統分配CPU資源； ③等待或掛起，任務(wù)因等待時(shí)隙、信號量或者消息等資源而被阻塞； ④被中斷態(tài)，發(fā)生中斷時(shí)，CPU提供相應中斷服務(wù)，原來(lái)正在運行的任務(wù)暫不能運行，就進(jìn)入了被中斷態(tài)。 系統中任務(wù)狀態(tài)的轉換關(guān)系如圖1所示。 
1．2 Small RTOS51中任務(wù)間的通信與同步 Small RTOS51中，任務(wù)間的通信與同步主要有兩種方式：信號量和消息隊列。 信號量由兩部分組成：一個(gè)是信號量的計數值，它是一個(gè)8位無(wú)符號的整數；另一個(gè)是由等待該信號量的任務(wù)組成的等待任務(wù)表，所有對信號量的訪(fǎng)問(wèn)都必須通過(guò)信號量索引來(lái)實(shí)現。信號量索引是一個(gè)0到OS_MAX_SEMS-1的數值，其中OS_MAX_SEMS為用戶(hù)自定義的最大信號量數目。 消息隊列實(shí)際上是一個(gè)8位無(wú)符號的字節變量數組。向隊列發(fā)送一個(gè)消息，實(shí)質(zhì)上是將O～255之間的一個(gè)數值存儲到消息隊列中；從消息隊列中獲得一個(gè)消息就是獲取一個(gè)O～255之間的數值。 2 多任務(wù)串行通信研究 下面以一個(gè)應用實(shí)例詳細說(shuō)明Small RTOS51環(huán)境下包含多任務(wù)的串行通信，該應用的硬件設計以NXP公司的P89V51RD2單片機為核心，包含了鍵盤(pán)電路、看門(mén)狗電路和顯示電路等幾個(gè)部分。硬件設計簡(jiǎn)圖如圖2所示，主要完成以下功能：從串口接收數據，經(jīng)P89V51RD2單片機處理，并通過(guò)I2C總線(xiàn)輸出到由LED發(fā)光二極管與 8574T組成的顯示電路，由P89V51RD2掃描鍵盤(pán)，檢測到按鍵被按下時(shí)，進(jìn)行相應的處理并生成一串命令數據通過(guò)串口向遠端發(fā)送。
2．1 多任務(wù)的實(shí)現 根據所要完成的功能，系統可由1個(gè)串口中斷服務(wù)程序和4個(gè)用戶(hù)任務(wù)來(lái)實(shí)現： 串口中斷服務(wù)程序，當數據到達串口接收緩沖區并產(chǎn)生中斷時(shí)，該中斷服務(wù)程序負責從接收緩沖區讀取數據，并加入用戶(hù)自定義的接收緩沖隊列。若完整地接收了一個(gè)數據包，則向數據處理任務(wù)發(fā)送信號量，表明有數據包等待處理，否則中斷服務(wù)程序結束。串口中斷下次到來(lái)時(shí)，繼續由該中斷服務(wù)程序接收串口數據。數據處理任務(wù)，執行時(shí)首先無(wú)限期等待中斷服務(wù)程序發(fā)送信號量，成功獲取信號量后，從自定義的接收緩沖隊列中取出數據包進(jìn)行數據解碼，并通過(guò)I2C總線(xiàn)發(fā)送數據到顯示電路。 看門(mén)狗任務(wù)，每次運行都反轉單片機P89V51RD2輸出到看門(mén)狗電路的I／O引腳電平(喂看門(mén)狗)，表明P89V51RD2內部程序正常運轉，以確�？撮T(mén)狗電路不會(huì )將P89V51RD2復位，然后使本身進(jìn)入等待狀態(tài)，等待時(shí)間到后再次運行。 鍵盤(pán)掃描任務(wù)，負責掃描鍵盤(pán)電路，檢測是否有按鍵被按下，若檢測到某一按鍵被按下，則獲取鍵值，并發(fā)送消息給按鍵處理任務(wù)。 按鍵處理任務(wù)，執行時(shí)首先無(wú)限期等待按鍵掃描任務(wù)發(fā)送消息，成功獲取消息后，根據按鍵值(消息內容)和當前系統狀態(tài)生成一串命令數據，通過(guò)串口向遠端發(fā)送。 系統中程序的執行順序如圖3所示。首先從主程序即main()函數開(kāi)始執行，在main()函數中完成SmallRTOS51實(shí)時(shí)操作系統、系統定時(shí)器、串口、消息、變量和外圍設備的初始化工作，然后創(chuàng )建用戶(hù)任務(wù)，最后主程序放棄CPU資源，任務(wù)優(yōu)先級最高的任務(wù)開(kāi)始執行。
Small RTOS51實(shí)時(shí)操作系統支持16個(gè)優(yōu)先級，0為最高優(yōu)先級，15為最低優(yōu)先級。程序中將看門(mén)狗任務(wù)置為最高優(yōu)先級，因為它必須定期向看門(mén)狗電路輸出喂狗信號。將它置為最高優(yōu)先級，使其優(yōu)先運行，可以保證單片機P89V51RD2不會(huì )被看門(mén)狗電路復位。為了能及時(shí)處理串口中斷服務(wù)程序讀取的數據包，數據處理任務(wù)也應當具有比較高的優(yōu)先級。同樣，在檢測到有按鍵被按下時(shí)，考慮到按鍵處理的實(shí)時(shí)性，也不能將按鍵處理任務(wù)的優(yōu)先級設得太低�？梢詫㈡I盤(pán)掃描任務(wù)置為最低優(yōu)先級，當沒(méi)有數據到達串口，在看門(mén)狗任務(wù)運行的間隙，鍵盤(pán)掃描任務(wù)一直運行，一旦檢測有按鍵被按下，立即發(fā)送消息給按鍵處理任務(wù)，按鍵處理任務(wù)獲得消息后解除掛起狀態(tài)，搶占CPU資源開(kāi)始運行。因手工連續按下兩次按鍵的時(shí)間間隔遠大于按鍵處理任務(wù)進(jìn)行一次數據處理的時(shí)間，故而這樣的優(yōu)先級設置既保證了鍵盤(pán)操作能及時(shí)被處理，又不影響檢測連續的鍵盤(pán)操作。 2．2 任務(wù)間的通信與同步 應用中，串口中斷服務(wù)程序與數據處理任務(wù)之間、鍵盤(pán)掃描任務(wù)與按鍵處理任務(wù)之間都需要進(jìn)行同步和通信，前者使用信號量進(jìn)行同步和通信，后者使用消息。 串口中斷服務(wù)程序接收到一個(gè)完整的數據包后，發(fā)送一個(gè)信號量給數據處理任務(wù)，因等待信號量而處于掛起狀態(tài)的數據處理任務(wù)獲得信號量后，立即從用戶(hù)自定義的接收緩沖隊列取出數據包進(jìn)行處理。鍵盤(pán)掃描任務(wù)檢測到按鍵被按下時(shí)，進(jìn)行去抖動(dòng)處理并獲取鍵值。然后，以鍵值作為消息內容，發(fā)送消息給按鍵處理任務(wù)。因等待消息而掛起的按鍵處理任務(wù)取得消息后，根據消息內容(鍵值)和當前系統狀態(tài)，生成一串命令數據并通過(guò)串口向遠端發(fā)送。 結語(yǔ) 本文舉例說(shuō)明了Small RTOS51環(huán)境下包含多任務(wù)的串行通信，重點(diǎn)敘述了多任務(wù)的執行過(guò)程和任務(wù)間的同步與通信。該應用系統經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)問(wèn)的測試，沒(méi)有發(fā)生數據到達串口時(shí)因沒(méi)能及時(shí)處理而被后來(lái)到達的數據覆蓋而造成丟失的情況，也沒(méi)有發(fā)生按下按鍵時(shí)不能及時(shí)處理的情況，應用系統的可靠性和實(shí)時(shí)性要求均可滿(mǎn)足。 Small RTOS51是一個(gè)占用系統資源極小的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，可以應用在絕大多數單片機上，而且移植過(guò)程簡(jiǎn)單。使用它開(kāi)發(fā)基于單片機的多任務(wù)應用系統，可以較大地縮短開(kāi)發(fā)周期。 作者：邵富杰 (北京跟蹤與通信技術(shù)研究所) 楊磊 (安徽大學(xué)) 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（6） |
