KEIL RTX51 TINY內(nèi)核的分析與應(yīng)用

　　摘要：簡(jiǎn)要介紹RTX51 TINY的基本情況和使用方法；詳細(xì)分析這個(gè)內(nèi)核的任務(wù)管理和內(nèi)存管理的運(yùn)行機(jī)制，并給出其主要代碼流程圖。

    關(guān)鍵詞：單片機(jī) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的RTX51

1 RTX51簡(jiǎn)介

1.1 RTX51 TINY特性

　　RTX51是KEIL公司開(kāi)發(fā)的用于8051系列單片機(jī)的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它有兩個(gè)版本，RTX51 FULL和RTX51 TINY。

　　RTX51 TINY是RTX51 FULL的子集，僅支持按時(shí)間片循環(huán)任務(wù)調(diào)度，支持任務(wù)間信號(hào)傳遞，最大16個(gè)任務(wù)，可以并行地利用中斷。具有以下等待操作：超時(shí)、另一個(gè)任務(wù)或中斷的信號(hào)。但它不能進(jìn)行信息處理，不支持存儲(chǔ)區(qū)的分配和釋放，不支持占先式調(diào)度。RTX51 TINY一個(gè)很小的內(nèi)核，完全集成在KEIL C51編譯器中。更重要的是，它僅占用800字節(jié)左右的程序存儲(chǔ)空間，可以在沒(méi)有外放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8051系統(tǒng)中運(yùn)行，但應(yīng)用程序仍然可以訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器。RTX51 TINY下文簡(jiǎn)稱(chēng)為內(nèi)核。

1.2 RTX51 TINY的使用

　　內(nèi)核完全集成在KEIL C51編譯器中，以系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用的方式運(yùn)行，因此可以很容易地使用KEIL C51語(yǔ)言編寫(xiě)和編譯一個(gè)多任務(wù)程序，并嵌入到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中。內(nèi)核提供以下函數(shù)供應(yīng)用程序引用：

　?、賑har os_create_task(task_id);

　?、赾har os_delete_task(task_id);

　?、踓har os_send_signal(task_id);

　　④char isr_send_signal(task_id);

　?、輈har os_clear_signal(task_id);

　?、辌har os_running_task_id(void);

　　⑦char os_wait(event_sel,ticks,dummy)。

　　各函數(shù)的函數(shù)原型和具體意義。

2 RTX51 TINY內(nèi)核分析

2.1 任務(wù)狀態(tài)

　　RTX51 TINY的用戶任務(wù)具有以下幾個(gè)狀態(tài)。

　　*RUNNING：任務(wù)處于運(yùn)行中，同一時(shí)間只有一個(gè)任務(wù)可以處于“RUNNING”狀態(tài)。

　　*READY：任務(wù)正在等待運(yùn)行，在當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)時(shí)間片完成之后，RTX51 TINY運(yùn)行下一個(gè)處于“READY”狀態(tài)的任務(wù)。

　　*WAITING：任務(wù)等待一個(gè)事件。如果所等待的事件發(fā)生的話，任務(wù)進(jìn)入“READY”狀態(tài)。

　　*DELETED：任務(wù)不處于執(zhí)行隊(duì)列。

　　*TIME OUT：任務(wù)由于時(shí)間片用完而處于“TIME OUT”狀態(tài)，并等待再次運(yùn)行。該狀態(tài)寫(xiě)“READY”狀態(tài)相似，但由于是內(nèi)部操作過(guò)程使一個(gè)循環(huán)任務(wù)被切換而被冠以標(biāo)記。

　　圖1所示為任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

2.2 同步機(jī)制

　　為了能保證任務(wù)在執(zhí)行次序上的協(xié)調(diào)，必須采用同步機(jī)制。內(nèi)核用以下事件進(jìn)行任務(wù)間的通信和同步。

　　①SIGNAL：用于任務(wù)之間通信的位，可以用系統(tǒng)函數(shù)置位或清除。如果一個(gè)任務(wù)調(diào)用os_wait函數(shù)等待SIGNAL而SIGNAL未置位，則該任務(wù)被掛起直到SIGNAL置位，才返回到READY狀態(tài)，并可被再次執(zhí)行。

　?、赥IMEOUT：由os_wait函數(shù)開(kāi)始的時(shí)間延時(shí)，其持續(xù)時(shí)間可由定時(shí)節(jié)拍數(shù)確定。帶 有TIMEOUT值調(diào)用os_wait函數(shù)的任務(wù)將被掛起，直到延時(shí)結(jié)束，才返回到READY狀態(tài)，并可被再次執(zhí)行。

　?、跧NTERVAL：由os_wait函數(shù)開(kāi)始的時(shí)間間隔，其間隔時(shí)間可由定時(shí)節(jié)拍數(shù)確定。帶有INTERVAL值調(diào)用os_wait函數(shù)的任務(wù)將被掛起，直到間隔時(shí)間結(jié)束，然后返回到READY狀態(tài)，并可被再次執(zhí)行。與TIMEOUT不同的是，任務(wù)的節(jié)拍計(jì)數(shù)器不復(fù)位。

2.3 調(diào)度規(guī)則

　　RTX51 TINY使用8051內(nèi)部定時(shí)器T0來(lái)產(chǎn)生定時(shí)節(jié)拍，各任務(wù)只在各自分配的定時(shí)節(jié)拍數(shù)（時(shí)間片）內(nèi)執(zhí)行。當(dāng)時(shí)間片用完后，切換至下一任務(wù)運(yùn)行，因此，各任務(wù)是并發(fā)執(zhí)行的。

　　調(diào)度規(guī)則如下：如果且特定事件還沒(méi)有發(fā)生，②任務(wù)執(zhí)行比循環(huán)切換所規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng)，則運(yùn)行任務(wù)被中斷；如果①?zèng)]有其它任務(wù)正在運(yùn)行，②任務(wù)處于“READY”或“TIMEOUT”狀態(tài)下等待運(yùn)行，則另一個(gè)任務(wù)開(kāi)始。

2.4 任務(wù)控制塊

　　為了能描述和控制任務(wù)的運(yùn)行，內(nèi)核為每個(gè)任務(wù)定義了稱(chēng)作任務(wù)控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要包括三項(xiàng)內(nèi)容：

　　①ENTRY[task_id]：task_id任務(wù)的代碼入口地址，位于CODE空間，2字節(jié)為一個(gè)單位。

　?、赟TKP[taskid]：taskid任務(wù)所使用堆棧棧底位置，位于IDATA空間，1字節(jié)為一個(gè)單位。

　?、跾TATE[taskid].time和STATE[tasked].state：前者表示任務(wù)的定時(shí)節(jié)折計(jì)數(shù)器，在每一次定時(shí)節(jié)拍中斷后都自減一次；后者表示任務(wù)狀態(tài)寄存器，用其各個(gè)位來(lái)表示任務(wù)所處的狀態(tài)。位于IDATA空間，以2字節(jié)為一單位。

2.5 存儲(chǔ)器管理

　　內(nèi)核使用了KEIL C51編譯器的對(duì)全局變量和局部變量采取靜態(tài)分配存儲(chǔ)空間的策略，因此存儲(chǔ)器管理簡(jiǎn)化為堆棧管理。內(nèi)核為每個(gè)任務(wù)都保留一個(gè)單獨(dú)的堆棧區(qū)，全部堆棧管理都在IDATA空間進(jìn)行。為了給當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)分配盡可能大的棧區(qū)，所以各個(gè)任務(wù)所用的堆棧位置是動(dòng)態(tài)的，并用STKP[taskid]來(lái)記錄各任務(wù)所用的堆棧位置是動(dòng)態(tài)的，并用STKP[taskid]來(lái)記錄和任務(wù)堆棧棧底位置。當(dāng)堆棧自由空間小于FREESTACK（默認(rèn)為20）個(gè)字節(jié)時(shí)，就會(huì)調(diào)用宏STACK_ERROR，進(jìn)行堆棧出錯(cuò)處理。

　　在以下情況會(huì)進(jìn)行堆棧管理：

　　*任務(wù)切換，將全部自由堆棧空間分配正在運(yùn)行的任務(wù)；

　　*任務(wù)創(chuàng)建，將自由堆?？臻g的2個(gè)字節(jié)，分配給新創(chuàng)新的任務(wù)task_id，并將ENTRY[task_id]，放入其堆棧；

　　*任務(wù)刪除，回收被刪除的任務(wù)task_id的堆?？臻g，并轉(zhuǎn)換為自由堆?？臻g。

　　堆棧管理如圖2所示。

3 代碼分析

　　內(nèi)核代碼用匯編語(yǔ)言寫(xiě)成，可讀性差，但代碼效率較高，主要由兩個(gè)源程序文件conf_tny.a51和rtxtny.a51組成。前者是一個(gè)配置文件，用來(lái)定義系統(tǒng)運(yùn)行所需要的全局變量和堆棧出錯(cuò)的宏STACK_ERROR，這些全變量和宏，用戶都可以根據(jù)自己的系統(tǒng)配置靈活修改；后者是系統(tǒng)內(nèi)核，完成系統(tǒng)調(diào)用的所有函數(shù)。

3.1 主程序main

　　主程序main的主要任務(wù)是初始化各任務(wù)堆棧棧底指針STKP、狀態(tài)字STATE和定時(shí)器T0，創(chuàng)建任務(wù)0并將其導(dǎo)入運(yùn)行隊(duì)列。這個(gè)過(guò)程加上KEIL C51的啟動(dòng)代碼CSTARTUP正是一般嵌入式系統(tǒng)中BSP所作的工作。

3.2 定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序

　　內(nèi)核使用定時(shí)器T0作為定時(shí)節(jié)拍發(fā)生器，是任務(wù)切換、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的依據(jù)。中斷服務(wù)程序有三個(gè)任務(wù)。

　?、俑赂鱾€(gè)任務(wù)節(jié)拍數(shù)：將STATE[taskid].timer減1，如果某任務(wù)超時(shí)（STATE[taskid].timer=0），并且該任務(wù)正在等待超時(shí)事件，則將該任務(wù)置為“READY”狀態(tài)，使其返回任務(wù)隊(duì)列。

　?、跈z查自由堆棧空間：若自由堆?？臻g范圍小于FREESTACK（默認(rèn)為20字節(jié)）時(shí)，可以調(diào)用宏STACK_ERROR，進(jìn)行堆棧出錯(cuò)處理。

　?、蹤z查當(dāng)前任務(wù)（處于RUNNING狀態(tài)）的時(shí)間片是否到時(shí)。若當(dāng)前任務(wù)的時(shí)間片到時(shí)，將程序轉(zhuǎn)到任務(wù)切換程序段（taskswitching）切換下一任務(wù)運(yùn)行。

　　程序流程如圖3所示。

3.3 任務(wù)切換程序段

　　這個(gè)程序段是整個(gè)內(nèi)核中最核心的一們，主要功能是完成任務(wù)切換。它共有兩個(gè)入口TASKSWITCHING和SWITCHINGNOW。前者供定時(shí)器T0的中斷服務(wù)程序調(diào)用，后能供系統(tǒng)函數(shù)os_delete和os_wait調(diào)用。相應(yīng)也有兩個(gè)不同的出口。

　　其基本工作流程是首先將當(dāng)前任務(wù)置為“TIME OUT”狀態(tài)，等待下一次時(shí)間片循環(huán)，其次找到下一個(gè)處于“READY”狀態(tài)的任務(wù)并使其成為當(dāng)前任務(wù)。然后進(jìn)行堆棧管理，將自由堆?？臻g分配給該任務(wù)。清除使該任務(wù)進(jìn)入“READY”或“TIMEOUT”狀態(tài)的相關(guān)位后，執(zhí)行該任務(wù)。流程框圖如圖4所示。

3.4 os_wait程序段

　　主要完成os_wait函數(shù)。任務(wù)調(diào)用os_wait函數(shù)，掛起當(dāng)前任務(wù)，等待一個(gè)或幾個(gè)間隔（K_IVL）、超時(shí)（K_TMO）、信號(hào)（K_SIG）事件。如果所等待的事件已經(jīng)發(fā)生，繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)；如果所等待的事件沒(méi)有發(fā)生，則置相應(yīng)的等待標(biāo)志后，掛起該任務(wù)，轉(zhuǎn)任務(wù)切換程序段（switchingnow）切換到下一任務(wù)。

3.5 其它程序段

　　其它程序段主要完成os_create_task、os_delete_task函數(shù)和有關(guān)信號(hào)處理的os_send_signal、isr_send_signal、os_clear_signal函數(shù)。這些函數(shù)功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要是根據(jù)上述存儲(chǔ)器管理策略進(jìn)行堆棧的分配和刪除，并改變?nèi)蝿?wù)字STATE[tasked].state，使任務(wù)處于不同的狀態(tài)。

　　以上所有程序段，若涉及到任務(wù)狀態(tài)字操作，必須關(guān)中斷，以防止和定時(shí)器T0同時(shí)操作任務(wù)狀態(tài)字。

結(jié)語(yǔ)

　　以上分析可以看到這個(gè)內(nèi)核簡(jiǎn)潔高效，非常適合于運(yùn)行在資源較少的單片機(jī)上。根據(jù)其設(shè)計(jì)思想，我們也很容易把它移植到其它單片機(jī)上。但是它也有缺陷，例如：不支持外部任務(wù)切換；不支持用戶使用定時(shí)器T0等。這些缺陷的存在，限制了任務(wù)切換的靈活性。