基于Small RTOS51的多任務(wù)串行通信研究

 引 言
    在簡單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，前／后臺系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。其中應(yīng)用程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。這部分可以看作后臺行為，也稱為任務(wù)級；中斷服務(wù)程序處理異步事件，可以看作前臺，也叫中斷級，時間相關(guān)性很強的操作靠中斷服務(wù)程序來保證。中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺程序運行到該處理這個信息時才能得到處理，最壞情況下，響應(yīng)時間等于整個循環(huán)的執(zhí)行時間。隨著單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜化，前／后臺系統(tǒng)已不能滿足系統(tǒng)實時性的要求，這就需要一個嵌入式的實時操作系統(tǒng)來管理和協(xié)調(diào)多個任務(wù)和中斷。
    目前在單片機(jī)上運行的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)主要有μC／OS、RTX51 Full和RTX51 Tiny。μC／OS是Jean J．Labrosse先生編寫的源碼開放的實時內(nèi)核，可適用于8／16／32位的單片機(jī)、ARM和DSP等微控制器和微處理器，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是μC／Os實時操作系統(tǒng)規(guī)模較大，相對于處理能力有限的單片機(jī)來說有些勉強，并且大多需要外擴(kuò)RAM運行，這給應(yīng)用系統(tǒng)軟硬件設(shè)計都帶來不便。 RTX51是德國Keil公司開發(fā)的一種小型的專門應(yīng)用于McS-51系列單片機(jī)的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，它有RTX51 Full和RTX51 Tiny兩個版本。RTX51 Full無源碼，自身代碼有6 KB多，運行時需要大量的外部RAM，不利于學(xué)習(xí)和使用；RTX51 Tiny較為簡單，但是任務(wù)沒有優(yōu)先級和中斷管理，很多時候并不實用。SmallRTOS51是陳明計先生為51系列單片機(jī)編寫的源碼公開的實時操作系統(tǒng)，支持任務(wù)優(yōu)先級和中斷管理，RAM需求量小，非常適合在單片機(jī)上運行。本文將在簡要介紹Small RTOS51實時操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體應(yīng)用實例詳細(xì)說明Small RTOS51環(huán)境下的多任務(wù)串行通信。

1 Small RTOS51簡介
    Small RTOS51嵌入式實時操作系統(tǒng)具有以下特點：
    ①公開源代碼，任何人都可以免費獲取。
    ②可移植、可固化，雖然是為51系列單片機(jī)編寫，但是比較容易移植到其他MECU上，并可以固化到產(chǎn)品中，成為產(chǎn)品的一部分。
    ③占先式，支持16個優(yōu)先級不同的用戶任務(wù)以搶占式運行。
    ④中斷管理，系統(tǒng)支持中斷管理功能，中斷嵌套層數(shù)可達(dá)255層。
    ⑤RAM需求量小，Small RTOS51為小RAM系統(tǒng)設(shè)計，128個RAM單元就可以運行。通常單片機(jī)不需要外擴(kuò)RAM就能運行Small RTOS51實時操作系統(tǒng)。
    下面簡要介紹Small RTOS51的任務(wù)管理和任務(wù)間的通信與同步。
1．1 Small RTOS51的任務(wù)管理
    Small RTOS51實時操作系統(tǒng)中，任務(wù)必須是一個無限循環(huán)，每個任務(wù)必須賦予不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級數(shù)值越小，優(yōu)先級越高。在任意時刻，任務(wù)的狀態(tài)必處于以下4種狀態(tài)之一：
    ①運行，任務(wù)獲得CPU后開始執(zhí)行；
    ②就緒，任務(wù)只等待系統(tǒng)分配CPU資源；
    ③等待或掛起，任務(wù)因等待時隙、信號量或者消息等資源而被阻塞；
    ④被中斷態(tài)，發(fā)生中斷時，CPU提供相應(yīng)中斷服務(wù)，原來正在運行的任務(wù)暫不能運行，就進(jìn)入了被中斷態(tài)。
    系統(tǒng)中任務(wù)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖1所示。

1．2 Small RTOS51中任務(wù)間的通信與同步
    Small RTOS51中，任務(wù)間的通信與同步主要有兩種方式：信號量和消息隊列。
    信號量由兩部分組成：一個是信號量的計數(shù)值，它是一個8位無符號的整數(shù)；另一個是由等待該信號量的任務(wù)組成的等待任務(wù)表，所有對信號量的訪問都必須通過信號量索引來實現(xiàn)。信號量索引是一個0到OS_MAX_SEMS-1的數(shù)值，其中OS_MAX_SEMS為用戶自定義的最大信號量數(shù)目。
    消息隊列實際上是一個8位無符號的字節(jié)變量數(shù)組。向隊列發(fā)送一個消息，實質(zhì)上是將O～255之間的一個數(shù)值存儲到消息隊列中；從消息隊列中獲得一個消息就是獲取一個O～255之間的數(shù)值。

2 多任務(wù)串行通信研究
    下面以一個應(yīng)用實例詳細(xì)說明Small RTOS51環(huán)境下包含多任務(wù)的串行通信，該應(yīng)用的硬件設(shè)計以NXP公司的P89V51RD2單片機(jī)為核心，包含了鍵盤電路、看門狗電路和顯示電路等幾個部分。硬件設(shè)計簡圖如圖2所示，主要完成以下功能：從串口接收數(shù)據(jù)，經(jīng)P89V51RD2單片機(jī)處理，并通過I2C總線輸出到由LED發(fā)光二極管與 8574T組成的顯示電路，由P89V51RD2掃描鍵盤，檢測到按鍵被按下時，進(jìn)行相應(yīng)的處理并生成一串命令數(shù)據(jù)通過串口向遠(yuǎn)端發(fā)送。

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2．1 多任務(wù)的實現(xiàn)
    根據(jù)所要完成的功能，系統(tǒng)可由1個串口中斷服務(wù)程序和4個用戶任務(wù)來實現(xiàn)：
    串口中斷服務(wù)程序，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)串口接收緩沖區(qū)并產(chǎn)生中斷時，該中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)從接收緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，并加入用戶自定義的接收緩沖隊列。若完整地接收了一個數(shù)據(jù)包，則向數(shù)據(jù)處理任務(wù)發(fā)送信號量，表明有數(shù)據(jù)包等待處理，否則中斷服務(wù)程序結(jié)束。串口中斷下次到來時，繼續(xù)由該中斷服務(wù)程序接收串口數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理任務(wù)，執(zhí)行時首先無限期等待中斷服務(wù)程序發(fā)送信號量，成功獲取信號量后，從自定義的接收緩沖隊列中取出數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，并通過I2C總線發(fā)送數(shù)據(jù)到顯示電路。
    看門狗任務(wù)，每次運行都反轉(zhuǎn)單片機(jī)P89V51RD2輸出到看門狗電路的I／O引腳電平(喂看門狗)，表明P89V51RD2內(nèi)部程序正常運轉(zhuǎn)，以確?？撮T狗電路不會將P89V51RD2復(fù)位，然后使本身進(jìn)入等待狀態(tài)，等待時間到后再次運行。
    鍵盤掃描任務(wù)，負(fù)責(zé)掃描鍵盤電路，檢測是否有按鍵被按下，若檢測到某一按鍵被按下，則獲取鍵值，并發(fā)送消息給按鍵處理任務(wù)。
    按鍵處理任務(wù)，執(zhí)行時首先無限期等待按鍵掃描任務(wù)發(fā)送消息，成功獲取消息后，根據(jù)按鍵值(消息內(nèi)容)和當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)生成一串命令數(shù)據(jù)，通過串口向遠(yuǎn)端發(fā)送。
    系統(tǒng)中程序的執(zhí)行順序如圖3所示。首先從主程序即main()函數(shù)開始執(zhí)行，在main()函數(shù)中完成SmallRTOS51實時操作系統(tǒng)、系統(tǒng)定時器、串口、消息、變量和外圍設(shè)備的初始化工作，然后創(chuàng)建用戶任務(wù)，最后主程序放棄CPU資源，任務(wù)優(yōu)先級最高的任務(wù)開始執(zhí)行。

    Small RTOS51實時操作系統(tǒng)支持16個優(yōu)先級，0為最高優(yōu)先級，15為最低優(yōu)先級。程序中將看門狗任務(wù)置為最高優(yōu)先級，因為它必須定期向看門狗電路輸出喂狗信號。將它置為最高優(yōu)先級，使其優(yōu)先運行，可以保證單片機(jī)P89V51RD2不會被看門狗電路復(fù)位。為了能及時處理串口中斷服務(wù)程序讀取的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)處理任務(wù)也應(yīng)當(dāng)具有比較高的優(yōu)先級。同樣，在檢測到有按鍵被按下時，考慮到按鍵處理的實時性，也不能將按鍵處理任務(wù)的優(yōu)先級設(shè)得太低。可以將鍵盤掃描任務(wù)置為最低優(yōu)先級，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)到達(dá)串口，在看門狗任務(wù)運行的間隙，鍵盤掃描任務(wù)一直運行，一旦檢測有按鍵被按下，立即發(fā)送消息給按
鍵處理任務(wù)，按鍵處理任務(wù)獲得消息后解除掛起狀態(tài)，搶占CPU資源開始運行。因手工連續(xù)按下兩次按鍵的時間間隔遠(yuǎn)大于按鍵處理任務(wù)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)處理的時間，故而這樣的優(yōu)先級設(shè)置既保證了鍵盤操作能及時被處理，又不影響檢測連續(xù)的鍵盤操作。
2．2 任務(wù)間的通信與同步
    應(yīng)用中，串口中斷服務(wù)程序與數(shù)據(jù)處理任務(wù)之間、鍵盤掃描任務(wù)與按鍵處理任務(wù)之間都需要進(jìn)行同步和通信，前者使用信號量進(jìn)行同步和通信，后者使用消息。

    串口中斷服務(wù)程序接收到一個完整的數(shù)據(jù)包后，發(fā)送一個信號量給數(shù)據(jù)處理任務(wù)，因等待信號量而處于掛起狀態(tài)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)獲得信號量后，立即從用戶自定義的接收緩沖隊列取出數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。鍵盤掃描任務(wù)檢測到按鍵被按下時，進(jìn)行去抖動處理并獲取鍵值。然后，以鍵值作為消息內(nèi)容，發(fā)送消息給按鍵處理任務(wù)。因等待消息而掛起的按鍵處理任務(wù)取得消息后，根據(jù)消息內(nèi)容(鍵值)和當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，生成一串命令數(shù)據(jù)并通過串口向遠(yuǎn)端發(fā)送。

結(jié) 語
    本文舉例說明了Small RTOS51環(huán)境下包含多任務(wù)的串行通信，重點敘述了多任務(wù)的執(zhí)行過程和任務(wù)間的同步與通信。該應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過較長時問的測試，沒有發(fā)生數(shù)據(jù)到達(dá)串口時因沒能及時處理而被后來到達(dá)的數(shù)據(jù)覆蓋而造成丟失的情況，也沒有發(fā)生按下按鍵時不能及時處理的情況，應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和實時性要求均可滿足。
    Small RTOS51是一個占用系統(tǒng)資源極小的嵌入式實時操作系統(tǒng)，可以應(yīng)用在絕大多數(shù)單片機(jī)上，而且移植過程簡單。使用它開發(fā)基于單片機(jī)的多任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，可以較大地縮短開發(fā)周期。