引 言
在簡單的單片機應用系統(tǒng)中，前／后臺系統(tǒng)被廣泛應用。其中應用程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中調用相應的函數(shù)完成相應的操作。這部分可以看作后臺行為，也稱為任務級；中斷服務程序處理異步事件，可以看作前臺，也叫中斷級，時間相關性很強的操作靠中斷服務程序來保證。中斷服務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，響應時間等于整個循環(huán)的執(zhí)行時間。隨著單片機應用系統(tǒng)的復雜化，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)調多個任務和中斷。
目前在單片機上運行的實時多任務操作系統(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核，可適用于8／16／32位的單片機、ARM和DSP等微控制器和微處理器，在諸多領域得到廣泛應用。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來說有些勉強，并且大多需要外擴RAM運行，這給應用系統(tǒng)軟硬件設計都帶來不便。 RTX51是德國Keil公司開發(fā)的一種小型的專門應用于McS-51系列單片機的實時多任務操作系統(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，不利于學習和使用；RTX51 Tiny較為簡單，但是任務沒有優(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系列單片機編寫的源碼公開的實時操作系統(tǒng)，支持任務優(yōu)先級和中斷管理，RAM需求量小，非常適合在單片機上運行。本文將在簡要介紹Small RTOS51實時操作系統(tǒng)的基礎上，結合具體應用實例詳細說明Small RTOS51環(huán)境下的多任務串行通信。
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系列單片機編寫，但是比較容易移植到其他MECU上，并可以固化到產品中，成為產品的一部分。
③占先式，支持16個優(yōu)先級不同的用戶任務以搶占式運行。
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255層。
⑤RAM需求量小，Small RTOS51為小RAM系統(tǒng)設計，128個RAM單元就可以運行。通常單片機不需要外擴RAM就能運行Small RTOS51實時操作系統(tǒng)。
下面簡要介紹Small RTOS51的任務管理和任務間的通信與同步。
1．1 Small RTOS51的任務管理
Small RTOS51實時操作系統(tǒng)中，任務必須是一個無限循環(huán)，每個任務必須賦予不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級數(shù)值越小，優(yōu)先級越高。在任意時刻，任務的狀態(tài)必處于以下4種狀態(tài)之一：
①運行，任務獲得CPU后開始執(zhí)行；
②就緒，任務只等待系統(tǒng)分配CPU資源；
③等待或掛起，任務因等待時隙、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提供相應中斷服務，原來正在運行的任務暫不能運行，就進入了被中斷態(tài)。
系統(tǒng)中任務狀態(tài)的轉換關系如圖1所示。
1．2 Small RTOS51中任務間的通信與同步
Small RTOS51中，任務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組成的等待任務表，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 多任務串行通信研究
下面以一個應用實例詳細說明Small RTOS51環(huán)境下包含多任務的串行通信，該應用的硬件設計以NXP公司的P89V51RD2單片機為核心，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P89V51RD2單片機處理，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，進行相應的處理并生成一串命令數(shù)據(jù)通過串口向遠端發(fā)送。
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2．1 多任務的實現(xiàn)
根據(jù)所要完成的功能，系統(tǒng)可由1個串口中斷服務程序和4個用戶任務來實現(xiàn)：
串口中斷服務程序，當數(shù)據(jù)到達串口接收緩沖區(qū)并產生中斷時，該中斷服務程序負責從接收緩沖區(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)處理任務發(fā)送信號量，表明有數(shù)據(jù)包等待處理，否則中斷服務程序結束。串口中斷下次到來時，繼續(xù)由該中斷服務程序接收串口數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理任務，執(zhí)行時首先無限期等待中斷服務程序發(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，每次運行都反轉單片機P89V51RD2輸出到看門狗電路的I／O引腳電平(喂看門狗)，表明P89V51RD2內部程序正常運轉，以確?？撮T狗電路不會將P89V51RD2復位，然后使本身進入等待狀態(tài)，等待時間到后再次運行。
鍵盤掃描任務，負責掃描鍵盤電路，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。
按鍵處理任務，執(zhí)行時首先無限期等待按鍵掃描任務發(fā)送消息，成功獲取消息后，根據(jù)按鍵值(消息內容)和當前系統(tǒng)狀態(tài)生成一串命令數(shù)據(jù)，通過串口向遠端發(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、變量和外圍設備的初始化工作，然后創(chuàng)建用戶任務，最后主程序放棄CPU資源，任務優(yōu)先級最高的任務開始執(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P89V51RD2不會被看門狗電路復位。為了能及時處理串口中斷服務程序讀取的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)處理任務也應當具有比較高的優(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的優(yōu)先級設得太低?？梢詫㈡I盤掃描任務置為最低優(yōu)先級，當沒有數(shù)據(jù)到達串口，在看門狗任務運行的間隙，鍵盤掃描任務一直運行，一旦檢測有按鍵被按下，立即發(fā)送消息給按
鍵處理任務，按鍵處理任務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大于按鍵處理任務進行一次數(shù)據(jù)處理的時間，故而這樣的優(yōu)先級設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 任務間的通信與同步
應用中，串口中斷服務程序與數(shù)據(jù)處理任務之間、鍵盤掃描任務與按鍵處理任務之間都需要進行同步和通信，前者使用信號量進行同步和通信，后者使用消息。
串口中斷服務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，因等待信號量而處于掛起狀態(tài)的數(shù)據(jù)處理任務獲得信號量后，立即從用戶自定義的接收緩沖隊列取出數(shù)據(jù)包進行處理。鍵盤掃描任務檢測到按鍵被按下時，進行去抖動處理并獲取鍵值。然后，以鍵值作為消息內容，發(fā)送消息給按鍵處理任務。因等待消息而掛起的按鍵處理任務取得消息后，根據(jù)消息內容(鍵值)和當前系統(tǒng)狀態(tài)，生成一串命令數(shù)據(jù)并通過串口向遠端發(fā)送。
結 語
本文舉例說明了Small RTOS51環(huán)境下包含多任務的串行通信，重點敘述了多任務的執(zhí)行過程和任務間的同步與通信。該應用系統(tǒng)經過較長時問的測試，沒有發(fā)生數(shù)據(jù)到達串口時因沒能及時處理而被后來到達的數(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)，可以應用在絕大多數(shù)單片機上，而且移植過程簡單。使用它開發(fā)基于單片機的多任務應用系統(tǒng)，可以較大地縮短開發(fā)周期。
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