基于RTX51的單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　摘要：隨著單片機(jī)應(yīng)用的日益廣泛，對它的軟件開發(fā)效率要求越來越高，從匯編到C語言，然后過渡到了操作系統(tǒng)。MCS51作為單片機(jī)世界的長生不衰的主力軍，應(yīng)用于其上的RTX51得到了很大的發(fā)展，它硬件要求低，使用方便、靈活、因此越來越廣泛地應(yīng)用到單片機(jī)的軟件開發(fā)之中。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī) C51 RTX51

1 概述

　　很多單片機(jī)的應(yīng)用中都需要同時(shí)執(zhí)行很多任務(wù)，對于這樣的應(yīng)用，我們可以利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來靈活地安排系統(tǒng)資源。RTX51是美國Keil公司開發(fā)的一種小型的應(yīng)用于MCS51系列單片機(jī)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它可以工作所有8051單片機(jī)以及派生家族中，簡化了復(fù)雜的軟件設(shè)計(jì)，縮短了項(xiàng)目周期。我們實(shí)踐中用RTX51來開發(fā)單片機(jī)軟件。設(shè)計(jì)單片機(jī)控制的GPS接收板軟件，取得了很好的效果。

2 RTX51介紹

　　RTX51有2個(gè)模式：RTX51完全模式和最小模式。RTX51最小模式版是RTX51完全版的一個(gè)子集，可以很容易地運(yùn)行在8051系統(tǒng)上，而不需要外部RAM（DXATA）。RTX51完全模式有4個(gè)任務(wù)優(yōu)先級，可以和中斷函數(shù)并行處理，各個(gè)任務(wù)之間通過使用“郵箱”系統(tǒng)來進(jìn)行信號和消息的傳遞，可以從內(nèi)存池中申請和釋放內(nèi)存；同時(shí)，可以強(qiáng)制一個(gè)任務(wù)停止執(zhí)行，等待一個(gè)中斷，或者是其它中斷傳來的信號量或者消息。RTX51對系統(tǒng)硬件的要求如表1所列。

2.1 RTX51任務(wù)

　　RTX51區(qū)分2類任務(wù)：快速任務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)?？焖偃蝿?wù)有很快的響應(yīng)速度，每個(gè)快速任務(wù)使用8051一個(gè)單獨(dú)的寄存器組，并且有自己的堆棧區(qū)域。RTX51支持最大同時(shí)有3個(gè)快速任務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)需要多一點(diǎn)的時(shí)間來進(jìn)行任務(wù)切換，因此使用的內(nèi)部RAM相對快速任務(wù)要少，所有的標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)共用1個(gè)寄存器組和堆棧。當(dāng)任務(wù)切換的時(shí)候，當(dāng)前任務(wù)的寄存器狀態(tài)和堆棧內(nèi)容轉(zhuǎn)移到外部存儲器中。RTX51支持最大16個(gè)標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)。

　　RTX51任務(wù)狀態(tài)：

　?、龠\(yùn)行（RUNNIGN）——當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)處于RUNNING狀態(tài)，同一時(shí)間只有1個(gè)任務(wù)可以運(yùn)行。

　?、诰途w（READY）——等待運(yùn)行的任務(wù)處于READY狀態(tài)，在當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)退出運(yùn)行狀態(tài)后，就緒隊(duì)列中優(yōu)先級最高的任務(wù)進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)。

　　③阻塞（BLOCKED）——等待一個(gè)事件的任務(wù)處于BLOCKED狀態(tài)，如果事件發(fā)生且優(yōu)先級比正在運(yùn)行的任務(wù)高，此任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；如果優(yōu)先級比正在運(yùn)行的任務(wù)低，此任務(wù)進(jìn)入READY狀態(tài)。

　?、軇h除（DELETED）——沒有開始的任務(wù)處于刪除狀態(tài)。

　?、萑蝿?wù)切換——RTX51包含一個(gè)事件驅(qū)動的任務(wù)切換機(jī)制，它能夠按照任務(wù)的優(yōu)先級進(jìn)行切換，也就是搶占式多任務(wù)系統(tǒng)；另外還有一個(gè)可選的時(shí)間片輪轉(zhuǎn)切換任務(wù)模式，在時(shí)間片輪轉(zhuǎn)模式下，同級別的任務(wù)是按照時(shí)間片分別占用CPU的。RTX51任務(wù)有4個(gè)優(yōu)先級：0、1、2可以分配給標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)，優(yōu)先級3是為快速任務(wù)保留的。每個(gè)任務(wù)都可以等待事件的發(fā)生，而并不增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；任務(wù)可以等待消息、信號、中斷、超時(shí)事件或者它們的組合。任務(wù)切換是按照一定規(guī)則進(jìn)行的，包括：進(jìn)入到“就緒”狀態(tài)的優(yōu)先級高的任務(wù)先執(zhí)行；如果“就緒”狀態(tài)的幾個(gè)任務(wù)是同一個(gè)優(yōu)先級，那么最先進(jìn)入“就緒”狀態(tài)的先執(zhí)行。

　　RTX51任務(wù)切換圖如圖1所示。

2.2 RTX51事件

　　◇超時(shí)（timeout）：掛起運(yùn)行的任務(wù)指定數(shù)量的時(shí)間周期。

　　◇間隔（interval）：類似于超時(shí)，但是軟件定時(shí)器沒有復(fù)位，典型應(yīng)用是產(chǎn)生時(shí)鐘。

　　◇信號（signal）：用于任務(wù)內(nèi)部同步協(xié)調(diào)。

　　◇消息（message）：適用于RTX51 Full，用于信息的交換。我們可以把一個(gè)消息交送到一個(gè)特定的郵箱。消息由2字節(jié)組成，可以是用戶按照自己的需求定主的數(shù)據(jù)，也可以是指向數(shù)據(jù)的指針。如果郵箱的消息列表滿，而且是中斷發(fā)送消息，這個(gè)消息將會丟失；如果是任務(wù)發(fā)送消息，那么任務(wù)將會進(jìn)入到等待狀態(tài)，直到郵箱重新有了位置可以接收這一條消息。郵箱是按照FIFO的原則來管理消息的，如果幾個(gè)任務(wù)都在等待接收消息，那么最先進(jìn)入等待接收隊(duì)列的將接收消息。一個(gè)郵箱最多可以存儲8條消息。當(dāng)郵箱滿的時(shí)候，最多只能有16個(gè)等待任務(wù)。

　　◇中斷（interrup）：適用于RTX51 Full，信號量用于管理共享的系統(tǒng)資源。通過使用“令牌”，允許在同一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)使用某些資源。如果幾個(gè)任務(wù)申請?jiān)L問同一個(gè)資源，那么首先提出申請的將允許訪問，其它的任務(wù)進(jìn)入等待隊(duì)列，直到第1個(gè)任務(wù)操作完畢，下一個(gè)任務(wù)才能繼續(xù)。

　　Os_wait()函數(shù)掛起一個(gè)任務(wù)來等待一個(gè)事件的發(fā)生。這樣可以同步2個(gè)或幾個(gè)任務(wù)。它的工作過程如下：當(dāng)任務(wù)等待的事件沒有發(fā)生的時(shí)候，系統(tǒng)掛起這個(gè)任務(wù)；當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)切換規(guī)則切換任務(wù)。

2.3 RTX51中斷處理

　　RTX51完全模式提供2種方法來處理中斷：一種是C51的中斷函數(shù)，另一種是RTX51的斷。它又可以分為快速任務(wù)中斷和標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)中斷。對于中斷函數(shù)這種方法，它同時(shí)也可以在不使用RTX51的情況下使用，當(dāng)中斷發(fā)生的時(shí)候，程序就跳到了相應(yīng)的中斷函數(shù)，它和正在運(yùn)行的任務(wù)是互相獨(dú)立的，中斷的處理是在RTX51系統(tǒng)之外，和任務(wù)切換規(guī)則沒有關(guān)聯(lián)。對于任務(wù)中斷的方法，不管使用快速是標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)來處理中斷，如果中斷發(fā)生，等待中斷的任務(wù)就從“等待”狀態(tài)進(jìn)入到就緒狀態(tài)，并按照任務(wù)切換規(guī)則進(jìn)行切換。這種中斷處理是完全集成在RTX51的內(nèi)部，硬件中斷事件的處理和信號、信息的處理是完全相同的。在系統(tǒng)響應(yīng)中斷使能寄存器，這樣才能遵守任務(wù)的切換規(guī)則并保證中斷程序的無誤進(jìn)行。必須注意中斷使能寄存器是由RTX51完全控制的，禁止用戶手動的修改。

3 應(yīng)用實(shí)例

　　以下給出RTX51在單片機(jī)控制的GPS接收板上的應(yīng)用。

　?。?）系統(tǒng)硬件組成

　　單片機(jī)W77E58，快速8051內(nèi)核、32KB ROM、1KB的XDATA RAM，符合使用RTX51的硬件要求；鍵盤、GPS定位模塊、液晶顯示模塊。

　?。?）系統(tǒng)軟件構(gòu)成

　　軟件運(yùn)行環(huán)境KEIL uVision2 6.20集成開發(fā)環(huán)境加上RTX51完成版。任務(wù)KEY-BOARD，監(jiān)測鍵盤的情況，如果有按鍵按下，把按鍵的編碼發(fā)更新到郵箱1，外部中斷1等待接收GPS數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存儲起來，向DISPLAY任務(wù)發(fā)出信號。任務(wù)DISPLAY根據(jù)接收到的不同的信號和消息，進(jìn)行處理。任務(wù)SEND-OUT，把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并發(fā)送出去。任務(wù)VOICE進(jìn)行語音輸出。

　　系統(tǒng)硬件、軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　下面給出簡寫的源程序：

　　#include<RTX51.h> //包含RTX51頭文件

　　#define DISPLAY 0

　　#define SEND_OUT1

　　#define KEY_BOARD2

　　#define VOICE3

　　void main(void)

　　{ init system(); //系統(tǒng)初始化

　　os start system(DISPLAY); //啟動RTX51

　　}

　　void task0(void)_task_DISPLAY

　　{ os_set_slice(1000); //設(shè)置時(shí)間片大小

　　os_enable_isr(0); //允許外部中斷0

　　os_creat_task(SEND_OUT); //啟動SEND_OUT任務(wù)

　　os_creat_task(VOICE)； //啟動VOICE任務(wù)

　　for(;;){

　　switch(os_wait(K_SIG+K_MBX+1,255,&keyboard))//等待接收信號和鍵盤消息，分類處理

　　{display1();break;

　　case EVENT_MBOX;//當(dāng)從郵箱接收到數(shù)據(jù)的時(shí)候switch(keyboard)

　　{ case '1';

　　…

　　os_send_signal(SEND_OUT); //向任務(wù)SEND_OUT發(fā)送信號

　　…

　　os_send_signal(VOICE);} //向任務(wù)VOICE發(fā)送信號

　　…；}

　　…;}

　　}

　　void task1(void)_task_SEND_OUT //處理發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)

　　{while(1)

　　{ os_wait(K_SIG,255,0) //等待信號

　　operation_send();

　　}

　　void task3(void)_task_VOICE

　　{while(1){

　　os_wait_signal(K_SIG,255,0); //等待語音處理信號

　　voice();}

　　}

　　void interrupt(void)interrupt 2 using 1

　　{ read_gps_data(p_gps_data); //接收數(shù)據(jù)

　　isr_send_signal(DISPLAY); //向DISPLAY任務(wù)發(fā)信號

　　}

　　#pragma REGISTERBANK(2) //使用寄存器組2

　　void task2(void)_task_KEYBOARSD_priority_3//設(shè)置為快速任務(wù)

　　{ os_attach_interrupt(0); //綁定任務(wù)和外部中斷0

　　while(1){

　　os_wait(K_INT,255,0); //等待中斷的發(fā)生

　　KEY=iic_read_keyboard();

　　os_send_message(1,KEY,0);}//將鍵盤編碼發(fā)送到郵箱1

　　}

4 結(jié)論

　　通過實(shí)踐我們可以發(fā)現(xiàn)，使用RTX51開發(fā)單片機(jī)程序更加方便了。尤其是較大的程序，避免了自己寫消息循環(huán)等繁瑣工作，效率明顯增加了。在硬件資源足夠的情況下，效果更加明顯。