關(guān)于RTX51 TINY的分析與探討

1 概述

RTX51 TINY是一種應(yīng)用于MCS5l系列單片機(jī)的小型多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它完全集成在Keil C5l編譯器中，具有運(yùn)行速度快、對(duì)硬件要求不高、使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此越來越廣泛地應(yīng)用到單片機(jī)的軟件開發(fā)中。它可以在單個(gè)CPU上管理幾個(gè)作業(yè)（任務(wù)），同時(shí)可以在沒有擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的單片機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行。

RTX51 TINY允許同時(shí)“準(zhǔn)并行”地執(zhí)行多個(gè)任務(wù)：各個(gè)任務(wù)并非持續(xù)運(yùn)行，而是在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間片(time slice)內(nèi)執(zhí)行。CPU執(zhí)行時(shí)間被劃分為若干時(shí)間片，RTX51 TINY為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)時(shí)間片，在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)允許執(zhí)行某個(gè)任務(wù)，然后RTX51 TINY切換到另一個(gè)就緒的任務(wù)并允許它在其規(guī)定的時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行。由于各個(gè)時(shí)間片非常短，通常只有幾ms，因此各個(gè)任務(wù)看起來似乎就是被同時(shí)執(zhí)行了。

RTX51 TINY利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器0的中斷功能實(shí)現(xiàn)定時(shí)，用周期性定時(shí)中斷驅(qū)動(dòng)RTX51 TINY的時(shí)鐘。它最多可以定義16個(gè)任務(wù)，所有的任務(wù)可以同時(shí)被激活，允許循環(huán)任務(wù)切換，僅支持非搶占式的任務(wù)切換，操作系統(tǒng)為每一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)獨(dú)立的堆棧區(qū)，在任務(wù)切換的同時(shí)改變堆棧的指針，并保存和恢復(fù)寄存器的值。RTX51 TINY沒有專門的時(shí)間服務(wù)函數(shù)和任務(wù)掛起函數(shù)，而是通過os_wait()中的參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)的。使用RTX51 TINY時(shí)用戶程序中不需要包含main()函數(shù)，它會(huì)自動(dòng)地從任務(wù)0開始運(yùn)行。如果用戶程序中包含有main()函數(shù)，則需要利用 os_create_task函數(shù)來啟動(dòng)RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

2  任務(wù)切換

2.1  RTX51 TINY任務(wù)狀態(tài)

RTX51 TINY的用戶任務(wù)具有以下幾個(gè)狀態(tài)：

① 運(yùn)行(RUNNING)——任務(wù)正處于運(yùn)行中。同一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)可以處于“RUNNING”狀態(tài)。

② 就緒(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)列中的任務(wù)根據(jù)調(diào)度策略被調(diào)度執(zhí)行，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)。如果等待的事件發(fā)生，則此任務(wù)進(jìn)入“READY”狀態(tài)，等待被調(diào)度。

④ 休眠(SLEEPING)——被聲明過但沒有開始運(yùn)行的任務(wù)處于休眠狀態(tài)。運(yùn)行過但已經(jīng)被刪除的任務(wù)也處在休眠狀態(tài)中。

⑤ 超時(shí)(TIMEOUT)——任務(wù)由于時(shí)間片用完而處于“TIMEOUT”狀態(tài)，并等待再次運(yùn)行。該狀態(tài)與“READY”狀態(tài)相似，但由于是內(nèi)部操作過程使一個(gè)循環(huán)任務(wù)被切換，因而單獨(dú)算作一個(gè)狀態(tài)。

處于“READY/TIMEOUT”、“RUNNING”和“BLOCKED”狀態(tài)的任務(wù)被認(rèn)為是激活的狀態(tài)，三者之間可以進(jìn)行切換。“SLEEPING”狀態(tài)的任務(wù)是非激活的，不能被執(zhí)行或認(rèn)為已經(jīng)終止。

2.2  RTX51 TINY任務(wù)切換

任務(wù)切換是RTX51 TINY提供的基本服務(wù)。RTX51 TINY是基于時(shí)間片調(diào)度算法的操作系統(tǒng)，它支持的是非搶占式的任務(wù)切換。所以在一個(gè)任務(wù)被執(zhí)行時(shí)不能對(duì)其進(jìn)行中斷，除非該任務(wù)主動(dòng)放棄CPU的資源，中斷才可以打斷當(dāng)前的任務(wù)，中斷完成后把CPU的控制權(quán)再交還該被中斷的任務(wù)。任務(wù)切換有兩種情況，一種是當(dāng)前任務(wù)主動(dòng)讓出CPU資源；另一種情況是在當(dāng)前任務(wù)的時(shí)間片已經(jīng)用完的情況下，進(jìn)行任務(wù)切換。CPU執(zhí)行時(shí)間被分成若干個(gè)時(shí)間片，RTX51 TINY為每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)時(shí)間片。時(shí)間片是通過對(duì)變量TIMESHARING的設(shè)置來確定的，即用“TIMESHARING EQU 5;”設(shè)置多少個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期為一個(gè)時(shí)間片。系統(tǒng)默認(rèn)5個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘為一個(gè)時(shí)間片，如果晶振頻率為11.059 2 MHz，則時(shí)間片為10.850 7×5＝54.253 5 ms。

RTX51 TINY的任務(wù)切換共有TASKSWITCHING 和SWITCHINGNOW兩個(gè)入口，前者供定時(shí)器T0的中斷服務(wù)程序調(diào)用，后者供系統(tǒng)函數(shù)os_delete和os_wait調(diào)用。相應(yīng)地也有兩個(gè)不同的出口，分別是恢復(fù)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)和清除狀態(tài)標(biāo)志位。系統(tǒng)首先將當(dāng)前任務(wù)置為“TIMEOUT”狀態(tài)，等待下一次時(shí)間片循環(huán)，然后找到下一個(gè)處于“READY” 狀態(tài)的任務(wù)，通過堆棧管理，將自由堆?？臻g分配給該任務(wù)，使其成為當(dāng)前任務(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)。任務(wù)切換的流程如圖1所示。

圖1  任務(wù)切換流程

3  共享資源實(shí)現(xiàn)[1]

RTX51 TINY由于是一個(gè)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，那么就不免會(huì)有幾個(gè)任務(wù)使用同一個(gè)資源，這些資源可能是一個(gè)變量，也可能是輸入/輸出設(shè)備。這就要求一個(gè)任務(wù)在使用共享資源時(shí)必須獨(dú)占該資源，否則可能會(huì)造成數(shù)據(jù)被破壞。

在RTX51 TINY中實(shí)現(xiàn)共享資源獨(dú)占的方法比較多。比如，可以通過TIMESHARING這個(gè)變量來禁止時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，使其值為0，就可以實(shí)現(xiàn)禁止任務(wù)切換，從而當(dāng)前任務(wù)就可以獨(dú)占共享資源。還可以關(guān)閉中斷來實(shí)現(xiàn)，使EA＝0，定時(shí)器T0的中斷被關(guān)閉，不能再為時(shí)間片輪轉(zhuǎn)提供基準(zhǔn)，從而禁止了任務(wù)切換。但這兩種方法都帶有一定的局限性，前一種方法只能適用于實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，后一種方法由于T0中斷關(guān)閉時(shí)間不能太長(zhǎng)，只能適用于一些簡(jiǎn)單變量操作的場(chǎng)合?；谝陨锨闆r，下面通過另一種方法來實(shí)現(xiàn)共享資源的使用。

在RTX51 full中可以利用信號(hào)量很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的操作，也可以把這種思想應(yīng)用到RTX51 TINY中；而在RTX51 TINY中不支持信號(hào)量，這就要求用戶自己定義信號(hào)量及其操作過程。以下是部分代碼：

struct signal {//定義信號(hào)量結(jié)構(gòu)體
　　　　uchar count；//該信號(hào)量的當(dāng)前計(jì)數(shù)值
　　　　uint list_tasks；//等待該信號(hào)量任務(wù)表
　　} signal_list[3]；
　　/*初始化信號(hào)量 */
　　void init_signal(uchar task_id,uchar count) {
　　　　signal_list[task_id].count=count；
　　　　signal_list[task_id].list_tasks=0；
　　}
　　/*等待信號(hào)量 */
　　char wait_signal(uchar task_id) {
　　　　if(signal_list[task_id].count>0) {
　　　　　　signal_list[task_id].count；//獲取信號(hào)量
　　　　　　return(-1)；
　　　　}
　　　　signal_list[task_id].list_tasks|=(1?os_running_task_id())；//標(biāo)記為等待狀態(tài)
　　　　return(0)；
　　}
　　void wait_sem(uchar task_id) {
　　　　if(wait_signal(task_id==0)
　　　　　　while(os_wait(K_TMO，255，0)!=RDY_EVENT)；//等待，直到該任務(wù)就緒
　　}
　　/*釋放信號(hào)量 */
　　char release_signal(uchar task_id) {
　　　　uchar i：
　　　　uint temp=1；
　　　　if((signal_list[task_id].count>0)||( signal_list[task_id].list_tasks==0))  {
　　　　　　signal_list[task_id].count++； //釋放信號(hào)量
　　　　　　return(-1)；
　　　　}
　　　　for(i=0；i<16；i++) {
　　　　　　if((signal_list[task_id].list_tasks&(temp))!=0){//查找任務(wù)表
　　　　　　　　signal_list[task_id].list_tasks&= ~(1<<i)；return(i)； //返回等待信號(hào)量的任務(wù)號(hào)
　　　　　　}
　　　　　　temp<<=1：
　　　　}
　　}
　　void release_sem(uchar task_id) {
　　　　char task_temp；
　　　　task_temp=release_signal(task_id)；
　　　　if(task_temp!=-1) {
　　　　　　os_set_ready(task_temp)； //任務(wù)task_id進(jìn)入就緒狀態(tài)
　　　　　　os_switch_task()；
　　　　}
　　}

有了以上幾個(gè)函數(shù)的定義和實(shí)現(xiàn)，就可以應(yīng)用等待信號(hào)量和釋放信號(hào)量來完成對(duì)共享資源的獨(dú)占。例如：
　　void job()_task_ id {
　　　　　　――――用戶代碼――――
　　　　　　wait_sem(task_id)；//等待任務(wù)task_id的信號(hào)量
　　　　　　――――對(duì)共享資源使用代碼――――
　　　　　　release_sem(task_id)；//釋放任務(wù)task_id的信號(hào)量
　　　　　　――――用戶代碼――――
　　}

應(yīng)用信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)共享資源的使用，不用禁止時(shí)間片輪轉(zhuǎn)和關(guān)閉T0中斷，可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的獨(dú)占；但增加了代碼，等待和釋放信號(hào)量花費(fèi)了一定的時(shí)間，在具體應(yīng)用中要視情況而定。

4  需要注意的問題

在應(yīng)用RTX51 TINY時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

① 盡可能不使用循環(huán)任務(wù)切換。使用循環(huán)任務(wù)切換時(shí)要求有13個(gè)字節(jié)的堆棧區(qū)來保存任務(wù)內(nèi)容(工作寄存器等)。如果由os_wait()函數(shù)來進(jìn)行任務(wù)觸發(fā)，則不需要保存任務(wù)內(nèi)容。由于正處于等待運(yùn)行的任務(wù)并不需要等待全部循環(huán)切換時(shí)間結(jié)束，因此os_wait()函數(shù)可以產(chǎn)生一種改進(jìn)的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。

② 不要將時(shí)鐘節(jié)拍中斷速率設(shè)置得太高，設(shè)定為一個(gè)較低的數(shù)值可以增加每秒的時(shí)鐘節(jié)拍個(gè)數(shù)。每次時(shí)鐘節(jié)拍中斷大約需要100~200個(gè)CPU周期，因此應(yīng)將時(shí)鐘節(jié)拍率設(shè)定得足夠高，以便使中斷響應(yīng)時(shí)間達(dá)到最小化。

③ 在os_wait()函數(shù)中有3個(gè)參數(shù)： K_TMO、K_IVL和K_SIG。其中對(duì)于K_TMO和K_IVL的使用要加以區(qū)別。在使用時(shí)，兩者似乎差別不是很大。其實(shí)不然,兩者存在很大的區(qū)別：K_TMO是指等待一個(gè)超時(shí)信號(hào)，只有時(shí)間到了，才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)。它產(chǎn)生的信號(hào)是不會(huì)累計(jì)的，產(chǎn)生信號(hào)后，任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)。而K_IVL是指周期信號(hào)，每隔一個(gè)指定的周期，就會(huì)產(chǎn)生一次信號(hào)，產(chǎn)生的信號(hào)是可以累計(jì)的。這樣就使得在指定事件內(nèi)沒有響應(yīng)的信號(hào)，通過信號(hào)次數(shù)的疊加，在以后信號(hào)處理時(shí)，重新得以響應(yīng)，從而保證了信號(hào)不會(huì)被丟失。而通過K_TMO方式進(jìn)行延時(shí)的任務(wù)，由于某種原因信號(hào)沒有得到及時(shí)的響應(yīng)，那么這樣就可能會(huì)丟失一部分沒有響應(yīng)的信號(hào)。不過兩者都是有效的任務(wù)切換方式，在使用時(shí)要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合來確定對(duì)兩者的使用。

結(jié)語

RTX51 TINY實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)既能保證對(duì)外界的信息以足夠快的速度進(jìn)行相應(yīng)處理，又能并行運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，具有實(shí)時(shí)性和并行性的特點(diǎn)，因此能很好地完成對(duì)多個(gè)信息的實(shí)時(shí)測(cè)量、處理，并進(jìn)行相應(yīng)的多個(gè)實(shí)時(shí)控制。任務(wù)切換是RTX51 TINY的一個(gè)基本服務(wù)。本文對(duì)任務(wù)切換做了詳細(xì)的分析，在實(shí)際應(yīng)用中還要對(duì)任務(wù)切換時(shí)的堆棧管理有一定了解，這樣才能更好地掌握任務(wù)切換的機(jī)制。共享資源的使用在多任務(wù)操作系統(tǒng)中是不可避免的，RTX51 TINY中沒有專門的處理共享資源函數(shù)，所以在實(shí)際應(yīng)用中要視情況來應(yīng)用文中提到的幾種方法。

參考文獻(xiàn)
[1]  朱珍民,隋雪青,段斌. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及其應(yīng)用開發(fā)[M]. 北京： 北京郵電大學(xué)出版社，2006：44-49.
[2]  Keil Software Inc．RTX51 Tiny User’s Guide，2004.
[3]  徐愛鈞，彭秀華. 單片機(jī)高級(jí)語言C51 Windows環(huán)境編程與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2001．