基于RTX51實時操作系統(tǒng)的用戶專用鍵盤軟件設計

摘要：隨著單片機應用的擴展，原有的編程思想難以滿足復雜多任務系統(tǒng)的要求，為此將操作系統(tǒng)引入單片機軟件設計。文章在用戶專用鍵盤軟件開發(fā)中引入PTX51實時操作系統(tǒng)，介紹了整個系統(tǒng)的任務分配，分析了各個任務的運行機制，并給出流程圖及主要程序代碼。通過采用RTX51實時操作系統(tǒng)，不僅提高了軟件開發(fā)效率，而且控制方案更加科學合理。
關鍵詞：RTX51；多任務；單片機；軟件設計

0 引言
    傳統(tǒng)的用戶專用鍵盤單片機軟件采用結構化設計方法，主程序循環(huán)執(zhí)行，依次完成按鍵掃描、按鍵處理、串口命令接收、串口命令處理等任務。由于任務的數(shù)量少，并且每個任務執(zhí)行的操作簡單，此種設計可以使得軟件較好地滿足功能要求。但仔細分析，會發(fā)現(xiàn)程序一些可以改進的地方，如：執(zhí)行時間短的任務不得不排隊等待執(zhí)行時間長的任務的完成。此外，如果用戶的設計要求發(fā)生變化(如：專用鍵盤功能增加、按鍵數(shù)量增多、串口協(xié)議復雜化等)，原有的編程思想將很難滿足要求，程序因此無法進行移植升級而不得不重新開發(fā)。
    基于RTX51實時操作系統(tǒng)進行單片機軟件設計，可以真正做到各任務并行執(zhí)行，同時，由于程序結構更加科學合理，可以方便地實現(xiàn)修改升級，以滿足功能較多的設計要求。

1 用戶專用鍵盤簡介
    用戶專用鍵盤多使用在工業(yè)控制場合，它由按鍵和指示燈組成，對外采用RS232接口，當某個按鍵按下時，鍵盤將命令(碼值)發(fā)送計算機，同時，鍵盤接收來自計算機的命令(碼值)點亮(熄滅)某個指示燈，以指示系統(tǒng)工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)快速人機交互。用戶專用鍵盤硬件原理框圖如圖1所示。

    圖中，可編程邏輯芯片實現(xiàn)單片機輸出接口擴展，其內部包含多個輸出鎖存器。工作時，單片機輸出的地址信號經可編程芯片內部譯碼器譯碼產生片選信號，使能不同的輸出鎖存器，將數(shù)據(jù)信號輸出控制各個指示燈的亮／滅。

2 RTX51實時操作系統(tǒng)介紹
    RTX51是德國Keil公司開發(fā)的一種應用于MCS51系列單片機的實時多任務操作系統(tǒng)，它有兩個版本，RTX51 Full和RTX51 Tiny，本文采用
RTX51 Tiny進行軟件設計。RTX51 Tiny是一個很小的內核，完全集成在Keil C51編譯器中，它可以很容易地運行在沒有擴展外部存儲器的單片機系統(tǒng)上，并且僅占用800字節(jié)左右的程序存儲空間。
    RTX51 Tiny允許最大16個任務循環(huán)切換，在實現(xiàn)上，它采用時間片輪轉算法，系統(tǒng)每次調度時，把CPU分配給一個就緒的任務，并令其執(zhí)行一個時間片，構成微觀上輪流運行、宏觀上并行執(zhí)行的多任務效果。RTX51 Tiny支持任務間的信號傳遞，還能并行地利用中斷功能。
    RTX51 Tiny的用戶任務主要具有以下幾個狀態(tài)：
    ·運行(RUNNING)：任務正處于運行中。同一時刻只有一個任務可以處于“RUNNING”狀態(tài)。
    ·準備好(READY)：等待運行的任務處于“READY”狀態(tài)。在當前運行的任務退出運行狀態(tài)后，就緒隊列中的任務根據(jù)調度策略被調度執(zhí)行，進入到運行狀態(tài)。
    ·等待(BLOcKED)：等待一個事件的任務處于“BLOCKED”狀態(tài)。如果等待的事件發(fā)生，則此任務進入“READY”狀態(tài)，等待被調度。
    RTX51 Tiny內核用以下事件進行任務問的通信和同步：
    ·超時(TIMEOUT)：由OS-wait函數(shù)調用引發(fā)的時間延時，持續(xù)時間可由定時節(jié)拍數(shù)確定。帶有TIMEOUT值調用OS-it函數(shù)的任務將被掛起，直到延時結束，才返回到“READY”。
    ·間隔(INTERVAL)：由OS-wait函數(shù)調用引發(fā)的時間間隔，其間隔時間可由定時節(jié)拍數(shù)確定。帶有INTERVAL值調用wait函數(shù)的任務將被掛起，直到間隔時間結束，然后返回到READY狀態(tài)。與TIMEOUT不同的是，任務的節(jié)拍計數(shù)器不復位，典型應用是產生時鐘。
    ·信號(SIGNAL)：系統(tǒng)定義的位變量，可以由系統(tǒng)函數(shù)置位或清除?？梢哉{用OS-wait函數(shù)暫停一個任務并等待從另一任務發(fā)出的信號，這可以用于協(xié)調兩個或更多的任務。如果某個任務在等待一個信號并且信號標志為0，則在收到這個信號之前，這個任務將一直處于掛起狀態(tài)。如果信號標志已經被置1，則當任務查詢信號時，信號標志會被清除，任務將可以被繼續(xù)執(zhí)行。

3 用戶專用鍵盤軟件設計
3．1 任務分配
    根據(jù)前面對用戶專用鍵盤功能的描述，它主要實現(xiàn)以下兩個功能：
    (1)按鍵處理；
    (2)串口數(shù)據(jù)處理。
    其中功能(1)又可細分為以下三個任務：
    任務1：按鍵狀態(tài)掃描；
    任務2：按鍵碼值查詢；
    任務3：串口發(fā)送；
    同樣，功能(2)也可細分為以下兩個任務：
    任務4：串口接收；
    任務5：串口數(shù)據(jù)處理；
    以上兩個功能需要并行運行，而內部的子任務之間為前級驅動后級的關系，在程序實際運行過程中，功能二(2)的任意子任務可能與功能(1)的任務1或任務2或任務3處于同時并行運行狀態(tài)，鑒于此，需要在程序設計時創(chuàng)建5個子任務。
    采用時間輪詢的方式決定了某個任務在執(zhí)行完時間片后，在下一次執(zhí)行前需要等待固定的時間，這個時間與系統(tǒng)的任務數(shù)及每個任務的執(zhí)行時間密切相關，為避免數(shù)據(jù)丟失，串口接收任務應及時讀取接收緩存器中的數(shù)據(jù)。由于中斷處理過程與正在運行的任務是相互獨立的，即中斷處理過程在RTX51系統(tǒng)內核之外和任務切換規(guī)則沒有關聯(lián)，因此可以在串口中斷服務程序中完成串口接收任務。另外，串口發(fā)送時要求將整個按鍵碼值數(shù)據(jù)包一次性發(fā)送完畢，如果將串口發(fā)送過程在中斷服務程序中完成，在SBUF緩存器發(fā)送完一個字節(jié)后觸發(fā)串口發(fā)送中斷標志，再次進入中斷服務程序繼續(xù)下一字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送，則可以方便地實現(xiàn)上述要求。根據(jù)以上分析，串口接收、串口發(fā)送兩個子任務的功能在中斷服務程序中完成，將系統(tǒng)子任務的個數(shù)由5個減少為3個，調整后的任務分配如下：
    任務1：按鍵狀態(tài)掃描(TASK SCAN)；
    任務2：按鍵碼值查詢(TASK KEY)；
    任務3：串口數(shù)據(jù)處理((TASK LIGHT))；
    中斷服務程序：串口接收、發(fā)送。
    任務間信號關系如圖2所示。

    如圖，任務1在檢測到按鍵狀態(tài)變化后向任務2發(fā)送信號，任務2隨后由等待狀態(tài)進入“準備好”狀態(tài)，在本任務的下一個時間片，任務2開始進行指定位置按鍵的碼值查詢，然后通過串口完成碼值發(fā)送。
    同時，串口數(shù)據(jù)通過中斷服務程序接收，串口數(shù)據(jù)接收后即發(fā)送信號給任務3，使后者進入“準備好”狀態(tài)，并在下一個時間片到來后進行數(shù)據(jù)處理。
    以上三個任務中，任務l始終處于“運行”或“準備好”狀態(tài)，任務2、任務3大多數(shù)時間處于“等待”狀態(tài)，任務2、任務3分別在接收到按鍵狀態(tài)掃描任務、中斷服務程序的信號后被“喚起”。另有任務0，負責創(chuàng)建任務1、2、3，然后刪除自己。任務0簡化程序如下所示：
    #define INIT 0／*任務0：初始化及創(chuàng)建*／
    #define SCAN 1／*任務1：按鍵狀態(tài)掃描*／
    #define KEY 2／*任務2：按鍵碼值查詢*／
    #define LIGHT 3／*任務3：串口數(shù)據(jù)處理*／
    Init()_task_INIT{
    Serial_init()；
    Os_create task(SCAN)；
    Os_create_task(KEY)；
    Os_create_task(LIGHT)；
    Os_delete-task(INIT)；
    }
    以下對中斷服務程序及各個任務分別予以介紹。
3．2 中斷服務程序
    用戶專用鍵盤串口接收、發(fā)送中斷服務程序流程如圖3所示。

    由于中斷可能由發(fā)送控制器或接收控制器引起，因此在程序中首先要判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷，然后分別進行處理。對于接收的數(shù)據(jù)，程序將其存入接收緩沖區(qū)，然后通知串口數(shù)據(jù)處理任務進行處理。
    用戶專用鍵盤數(shù)據(jù)的發(fā)送在中斷服務程序中完成，上一字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢產生中斷，進入中斷服務程序繼續(xù)完成下一字節(jié)的發(fā)送，而發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)在按鍵碼值查詢任務中存入。簡化的中斷服務程序如下：

3．3 串口數(shù)據(jù)處理任務(TASK_LIGHT)
    中斷服務程序只處理串口緩存器SBUF的讀取或寫入，數(shù)據(jù)一旦接收完畢即存入緩沖區(qū)，并在專門的任務中進行處理。在多任務系統(tǒng)的用戶專用鍵盤程序中，串口數(shù)據(jù)處理任務在創(chuàng)建后即被“掛起”，此時該任務處于“等待”狀態(tài)，不占用任何時間片，只有當任務接收到“喚起”信號后才繼續(xù)執(zhí)行。本程序中“喚起”信號來自中斷服務程序。由于中斷處理過程可以同RTX51任務互發(fā)信號或交換數(shù)據(jù)，因此，中斷服務程序在接收到數(shù)據(jù)后立即發(fā)送信號量給串口數(shù)據(jù)處理任務，使后者處于“準備好”狀態(tài)，當下一時間片來到時，串口數(shù)據(jù)處理任務繼續(xù)執(zhí)行，完成數(shù)據(jù)解析及控制指示燈等操作。由于該任務為循環(huán)操作，當所有接收的數(shù)據(jù)處理完畢后，任務再次進入“等待”狀態(tài)，等待下一次串口數(shù)據(jù)接收后的處理。圖3中，斜體部分即為中斷服務程序發(fā)送信號至串口數(shù)據(jù)處理任務的過程。串口數(shù)據(jù)處理任務的簡化程序如下：

3．4 按鍵狀態(tài)掃描任務(TASK SCAN)
    按鍵狀態(tài)掃描為一個循環(huán)執(zhí)行的任務，程序通過不斷地讀取單片機IO口的值獲取每個按鍵的當前狀態(tài)，然后將當前狀態(tài)值與存儲在內存中的上一次狀態(tài)值進行比較，通過比較結果判斷該按鍵狀態(tài)是否發(fā)生變化。為消除按鍵按下時抖動造成的多次狀態(tài)變化，在掃描到某個按鍵狀態(tài)發(fā)生改變后，延時一段時間后進行第二次掃描，如果兩次掃描結果相同則認為該按鍵狀態(tài)確實發(fā)生改變，并轉入下一步處理。按鍵狀態(tài)掃描任務流程如圖4所示。

    下面給出按鍵狀態(tài)掃描任務簡化的源程序：
    Scan()_task_SCAN{／*按鍵狀態(tài)掃描任務*／
    …
    While(1){
    Key_first_scan()；／*第1次掃描*／
    If(Keychanged=1){
    Os_wait(K_TMO，2，0)／*延時*／
    Key_second_scan()；／*第2次掃描*／
    If(first scan=second scan){／*如果兩次掃描的按鍵狀態(tài)一致*／
    os_send_signal(2)；／*發(fā)送信號至按鍵碼值查詢任務+／
    }
    }
    }
    }
    程序中，采用等待超時信號(K_TMO)來實現(xiàn)兩次掃描間的延時，這樣設計的好處是，在延時期間，由于本任務處于“等待”狀態(tài)，系統(tǒng)可以進行任務切換，使其它任務繼續(xù)執(zhí)行，從而在保證系統(tǒng)功能的前提下，提高整個系統(tǒng)的工作效率。需要注意的是，K_TMO是等待產生超時信號，當信號產生后，只是將相應的任務置上“準備好”標志位，任務并不是立即就能夠運行，任務需要等到其它任務輪流執(zhí)行，到自己的時間片后才會執(zhí)行。這樣，最后的延時效果是延時時間加上正在運行的任務的執(zhí)行時間。在用戶專用鍵盤軟件中，同時可能在運行的任務只有“串口數(shù)據(jù)處理”。由于該任務運行時間與K TMO延時時間比較少很多，因此可以忽略不計，而認為兩次掃描間的延時時間就是K_TMO的時間。假設同時運行的任務較多，并且每個任務占用的時間較長，則延時時間應該取K_TMO加上所有同時運行任務的執(zhí)行時間之和，即按鍵按下的時間必須不小于此時間，才能保證每次按鍵操作都能正確響應。
3．5 按鍵碼值查詢任務(TASK KEY)
    按鍵碼值查詢任務程序流程如圖5所示。

    由于發(fā)送數(shù)據(jù)在串口中斷服務程序中完成，因此，在將數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖區(qū)之前必須確認緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)即串口發(fā)送中斷會被再次觸發(fā)，否則只有將數(shù)據(jù)寫入串口發(fā)送緩存器SBUF直接發(fā)送。
    下面給出按鍵碼值查詢任務簡化的源程序：
    Encode()_task_KEY{
    …
    While(1){
    Os_wait(K_SIG,0,0)；／*等待鍵碼查詢信號*／
    Keygetcode()；／*獲取鍵碼值*／
    If(sendempty=1){／*判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為“空”*／
    SBUF=keycode；／*發(fā)送緩沖區(qū)為”空”，則直接發(fā)送*／
    }Else{
    Outbuf[i++]=keycode；／*否則，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，*／
    ／*待上一數(shù)據(jù)發(fā)送完后自動發(fā)送*／
    }
    }
    }

4 結論
    實踐證明，在引入RTX51 Tiny實時操作系統(tǒng)后，軟件開發(fā)周期縮短，程序結構更加清晰，系統(tǒng)實時性和并行性大大增強，開發(fā)出的程序具有較高的可維護性和可移植性。