KEIL RTX51 TINY內(nèi)核的分析與應(yīng)用

    摘要：簡要介紹RTX51 TINY的基本情況和使用方法；詳細分析這個內(nèi)核的任務(wù)管理和內(nèi)存管理的運行機制，并給出其主要代碼流程圖。

    關(guān)鍵詞：單片機 實時操作系統(tǒng)的RTX51

1 RTX51簡介

1.1 RTX51 TINY特性

RTX51是KEIL公司開發(fā)的用于8051系列單片機的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)。它有兩個版本，RTX51 FULL和RTX51 TINY。

RTX51 TINY是RTX51 FULL的子集，僅支持按時間片循環(huán)任務(wù)調(diào)度，支持任務(wù)間信號傳遞，最大16個任務(wù)，可以并行地利用中斷。具有以下等待操作：超時、另一個任務(wù)或中斷的信號。但它不能進行信息處理，不支持存儲區(qū)的分配和釋放，不支持占先式調(diào)度。RTX51 TINY一個很小的內(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)左右的程序存儲空間，可以在沒有外放數(shù)據(jù)存儲器的8051系統(tǒng)中運行，但應(yīng)用程序仍然可以訪問外部存儲器。RTX51 TINY下文簡稱為內(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)用的方式運行，因此可以很容易地使用KEIL C51語言編寫和編譯一個多任務(wù)程序，并嵌入到實際應(yīng)用系統(tǒng)中。內(nèi)核提供以下函數(shù)供應(yīng)用程序引用：

①char os_create_task(task_id);

②char os_delete_task(task_id);

③char os_send_signal(task_id);

④char isr_send_signal(task_id);

⑤char os_clear_signal(task_id);

⑥char 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)具有以下幾個狀態(tài)。

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

*READY：任務(wù)正在等待運行，在當前運行的任務(wù)時間片完成之后，RTX51 TINY運行下一個處于“READY”狀態(tài)的任務(wù)。

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

*DELETED：任務(wù)不處于執(zhí)行隊列。

*TIME OUT：任務(wù)由于時間片用完而處于“TIME OUT”狀態(tài)，并等待再次運行。該狀態(tài)寫“READY”狀態(tài)相似，但由于是內(nèi)部操作過程使一個循環(huán)任務(wù)被切換而被冠以標記。

圖1所示為任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

    2.2 同步機制

為了能保證任務(wù)在執(zhí)行次序上的協(xié)調(diào)，必須采用同步機制。內(nèi)核用以下事件進行任務(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。

②TIMEOUT：由os_wait函數(shù)開始的時間延時，其持續(xù)時間可由定時節(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，直到延時結(jié)束，才返回到READY狀態(tài)，并可被再次執(zhí)行。

③INTERVAL：由os_wait函數(shù)開始的時間間隔，其間隔時間可由定時節(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)部定時器T0來產(chǎn)生定時節(jié)拍，各任務(wù)只在各自分配的定時節(jié)拍數(shù)（時間片）內(nèi)執(zhí)行。當時間片用完后，切換至下一任務(wù)運行，因此，各任務(wù)是并發(fā)執(zhí)行的。

調(diào)度規(guī)則如下：如果

，且特定事件還沒有發(fā)生，②任務(wù)執(zhí)行比循環(huán)切換所規(guī)定的時間長，則運行任務(wù)被中斷；如果①沒有其它任務(wù)正在運行，②任務(wù)處于“READY”或“TIMEOUT”狀態(tài)下等待運行，則另一個任務(wù)開始。

2.4 任務(wù)控制塊

為了能描述和控制任務(wù)的運行，內(nèi)核為每個任務(wù)定義了稱作任務(wù)控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，主要包括三項內(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)為一個單位。

②STKP[taskid]：taskid任務(wù)所使用堆棧棧底位置，位于IDATA空間，1字節(jié)為一個單位。

③STATE[taskid].time和STATE[tasked].state：前者表示任務(wù)的定時節(jié)折計數(shù)器，在每一次定時節(jié)拍中斷后都自減一次；后者表示任務(wù)狀態(tài)寄存器，用其各個位來表示任務(wù)所處的狀態(tài)。位于IDATA空間，以2字節(jié)為一單位。

2.5 存儲器管理

內(nèi)核使用了KEIL C51編譯器的對全局變量和局部變量采取靜態(tài)分配存儲空間的策略，因此存儲器管理簡化為堆棧管理。內(nèi)核為每個任務(wù)都保留一個單獨的堆棧區(qū)，全部堆棧管理都在IDATA空間進行。為了給當前正在運行的任務(wù)分配盡可能大的棧區(qū)，所以各個任務(wù)所用的堆棧位置是動態(tài)的，并用STKP[taskid]來記錄各任務(wù)所用的堆棧位置是動態(tài)的，并用STKP[taskid]來記錄和任務(wù)堆棧棧底位置。當堆棧自由空間小于FREESTACK（默認為20）個字節(jié)時，就會調(diào)用宏STACK_ERROR，進行堆棧出錯處理。

在以下情況會進行堆棧管理：

*任務(wù)切換，將全部自由堆?？臻g分配正在運行的任務(wù)；

*任務(wù)創(chuàng)建，將自由堆?？臻g的2個字節(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的堆棧空間，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)核代碼用匯編語言寫成，可讀性差，但代碼效率較高，主要由兩個源程序文件conf_tny.a51和rtxtny.a51組成。前者是一個配置文件，用來定義系統(tǒng)運行所需要的全局變量和堆棧出錯的宏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和定時器T0，創(chuàng)建任務(wù)0并將其導(dǎo)入運行隊列。這個過程加上KEIL C51的啟動代碼CSTARTUP正是一般嵌入式系統(tǒng)中BSP所作的工作。

3.2 定時器T0中斷服務(wù)程序

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

①更新各個任務(wù)節(jié)拍數(shù)：將STATE[taskid].timer減1，如果某任務(wù)超時（STATE[taskid].timer=0），并且該任務(wù)正在等待超時事件，則將該任務(wù)置為“READY”狀態(tài)，使其返回任務(wù)隊列。

②檢查自由堆?？臻g：若自由堆棧空間范圍小于FREESTACK（默認為20字節(jié)）時，可以調(diào)用宏STACK_ERROR，進行堆棧出錯處理。

③檢查當前任務(wù)（處于RUNNING狀態(tài)）的時間片是否到時。若當前任務(wù)的時間片到時，將程序轉(zhuǎn)到任務(wù)切換程序段（taskswitching）切換下一任務(wù)運行。

程序流程如圖3所示。

3.3 任務(wù)切換程序段

這個程序段是整個內(nèi)核中最核心的一們，主要功能是完成任務(wù)切換。它共有兩個入口TASKSWITCHING和SWITCHINGNOW。前者供定時器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)也有兩個不同的出口。

其基本工作流程是首先將當前任務(wù)置為“TIME OUT”狀態(tài)，等待下一次時間片循環(huán)，其次找到下一個處于“READY”狀態(tài)的任務(wù)并使其成為當前任務(wù)。然后進行堆棧管理，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)，掛起當前任務(wù)，等待一個或幾個間隔（K_IVL）、超時（K_TMO）、信號（K_SIG）事件。如果所等待的事件已經(jīng)發(fā)生，繼續(xù)執(zhí)行當前任務(wù)；如果所等待的事件沒有發(fā)生，則置相應(yīng)的等待標志后，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)信號處理的os_send_signal、isr_send_signal、os_clear_signal函數(shù)。這些函數(shù)功能相對比較簡單，主要是根據(jù)上述存儲器管理策略進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，以防止和定時器T0同時操作任務(wù)狀態(tài)字。

結(jié)語

以上分析可以看到這個內(nèi)核簡潔高效，非常適合于運行在資源較少的單片機上。根據(jù)其設(shè)計思想，我們也很容易把它移植到其它單片機上。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器T0等。這些缺陷的存在，限制了任務(wù)切換的靈活性。