基于Small RTOS51的多任務(wù)串行通信研究

 引 言
    在簡(jiǎn)單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，前／后臺(tái)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。其中應(yīng)用程序是一個(gè)無(wú)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(tái)行為，也稱(chēng)為任務(wù)級(jí)；中斷服務(wù)程序處理異步事件，可以看作前臺(tái)，也叫中斷級(jí)，時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的操作靠中斷服務(wù)程序來(lái)保證。中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺(tái)程序運(yùn)行到該處理這個(gè)信息時(shí)才能得到處理，最壞情況下，響應(yīng)時(shí)間等于整個(gè)循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間。隨著單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜化，前／后臺(tái)系統(tǒng)已不能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，這就需要一個(gè)嵌入式的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)管理和協(xié)調(diào)多個(gè)任務(wù)和中斷。
    目前在單片機(jī)上運(yùn)行的實(shí)時(shí)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(xiě)的源碼開(kāi)放的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)規(guī)模較大，相對(duì)于處理能力有限的單片機(jī)來(lái)說(shuō)有些勉強(qiáng)，并且大多需要外擴(kuò)RAM運(yùn)行，這給應(yīng)用系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)都帶來(lái)不便。 RTX51是德國(guó)Keil公司開(kāi)發(fā)的一種小型的專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于McS-51系列單片機(jī)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它有RTX51 Full和RTX51 Tiny兩個(gè)版本。RTX51 Full無(wú)源碼，自身代碼有6 KB多，運(yùn)行時(shí)需要大量的外部RAM，不利于學(xué)習(xí)和使用；RTX51 Tiny較為簡(jiǎn)單，但是任務(wù)沒(méi)有優(yōu)先級(jí)和中斷管理，很多時(shí)候并不實(shí)用。SmallRTOS51是陳明計(jì)先生為51系列單片機(jī)編寫(xiě)的源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持任務(wù)優(yōu)先級(jí)和中斷管理，RAM需求量小，非常適合在單片機(jī)上運(yùn)行。本文將在簡(jiǎn)要介紹Small RTOS51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體應(yīng)用實(shí)例詳細(xì)說(shuō)明Small RTOS51環(huán)境下的多任務(wù)串行通信。

1 Small RTOS51簡(jiǎn)介
    Small RTOS51嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
    ①公開(kāi)源代碼，任何人都可以免費(fèi)獲取。
    ②可移植、可固化，雖然是為51系列單片機(jī)編寫(xiě)，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(gè)優(yōu)先級(jí)不同的用戶任務(wù)以搶占式運(yùn)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(jì)，128個(gè)RAM單元就可以運(yùn)行。通常單片機(jī)不需要外擴(kuò)RAM就能運(yùn)行Small RTOS51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
    下面簡(jiǎn)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，任務(wù)必須是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，每個(gè)任務(wù)必須賦予不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)數(shù)值越小，優(yōu)先級(jí)越高。在任意時(shí)刻，任務(wù)的狀態(tài)必處于以下4種狀態(tài)之一：
    ①運(yùn)行，任務(wù)獲得CPU后開(kāi)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(shí)隙、信號(hào)量或者消息等資源而被阻塞；
    ④被中斷態(tài)，發(fā)生中斷時(shí)，CPU提供相應(yīng)中斷服務(wù)，原來(lái)正在運(yùn)行的任務(wù)暫不能運(yùn)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(hào)量和消息隊(duì)列。
    信號(hào)量由兩部分組成：一個(gè)是信號(hào)量的計(jì)數(shù)值，它是一個(gè)8位無(wú)符號(hào)的整數(shù)；另一個(gè)是由等待該信號(hào)量的任務(wù)組成的等待任務(wù)表，所有對(duì)信號(hào)量的訪問(wèn)都必須通過(guò)信號(hào)量索引來(lái)實(shí)現(xiàn)。信號(hào)量索引是一個(gè)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(hào)量數(shù)目。
    消息隊(duì)列實(shí)際上是一個(gè)8位無(wú)符號(hào)的字節(jié)變量數(shù)組。向隊(duì)列發(fā)送一個(gè)消息，實(shí)質(zhì)上是將O～255之間的一個(gè)數(shù)值存儲(chǔ)到消息隊(duì)列中；從消息隊(duì)列中獲得一個(gè)消息就是獲取一個(gè)O～255之間的數(shù)值。

2 多任務(wù)串行通信研究
    下面以一個(gè)應(yīng)用實(shí)例詳細(xì)說(shuō)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(jì)以NXP公司的P89V51RD2單片機(jī)為核心，包含了鍵盤(pán)電路、看門(mén)狗電路和顯示電路等幾個(gè)部分。硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(guò)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(pán)，檢測(cè)到按鍵被按下時(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的處理并生成一串命令數(shù)據(jù)通過(guò)串口向遠(yuǎn)端發(fā)送。

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2．1 多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)
    根據(jù)所要完成的功能，系統(tǒng)可由1個(gè)串口中斷服務(wù)程序和4個(gè)用戶任務(wù)來(lái)實(shí)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(shí)，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(duì)列。若完整地接收了一個(gè)數(shù)據(jù)包，則向數(shù)據(jù)處理任務(wù)發(fā)送信號(hào)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(lái)時(shí)，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(shí)首先無(wú)限期等待中斷服務(wù)程序發(fā)送信號(hào)量，成功獲取信號(hào)量后，從自定義的接收緩沖隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，并通過(guò)I2C總線發(fā)送數(shù)據(jù)到顯示電路。
    看門(mén)狗任務(wù)，每次運(yùn)行都反轉(zhuǎn)單片機(jī)P89V51RD2輸出到看門(mén)狗電路的I／O引腳電平(喂看門(mén)狗)，表明P89V51RD2內(nèi)部程序正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以確保看門(mén)狗電路不會(huì)將P89V51RD2復(fù)位，然后使本身進(jìn)入等待狀態(tài)，等待時(shí)間到后再次運(yùn)行。
    鍵盤(pán)掃描任務(wù)，負(fù)責(zé)掃描鍵盤(pán)電路，檢測(cè)是否有按鍵被按下，若檢測(cè)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(shí)首先無(wú)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(guò)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(kāi)始執(zhí)行，在main()函數(shù)中完成SmallRTOS51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、系統(tǒng)定時(shí)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(jí)最高的任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行。

    Small RTOS51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)支持16個(gè)優(yōu)先級(jí)，0為最高優(yōu)先級(jí)，15為最低優(yōu)先級(jí)。程序中將看門(mén)狗任務(wù)置為最高優(yōu)先級(jí)，因?yàn)樗仨毝ㄆ谙蚩撮T(mén)狗電路輸出喂狗信號(hào)。將它置為最高優(yōu)先級(jí)，使其優(yōu)先運(yùn)行，可以保證單片機(jī)P89V51RD2不會(huì)被看門(mén)狗電路復(fù)位。為了能及時(shí)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(jí)。同樣，在檢測(cè)到有按鍵被按下時(shí)，考慮到按鍵處理的實(shí)時(shí)性，也不能將按鍵處理任務(wù)的優(yōu)先級(jí)設(shè)得太低?？梢詫㈡I盤(pán)掃描任務(wù)置為最低優(yōu)先級(jí)，當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)到達(dá)串口，在看門(mén)狗任務(wù)運(yùn)行的間隙，鍵盤(pán)掃描任務(wù)一直運(yùn)行，一旦檢測(cè)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(kāi)始運(yùn)行。因手工連續(xù)按下兩次按鍵的時(shí)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(shí)間，故而這樣的優(yōu)先級(jí)設(shè)置既保證了鍵盤(pán)操作能及時(shí)被處理，又不影響檢測(cè)連續(xù)的鍵盤(pán)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(pán)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(hào)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(gè)完整的數(shù)據(jù)包后，發(fā)送一個(gè)信號(hào)量給數(shù)據(jù)處理任務(wù)，因等待信號(hào)量而處于掛起狀態(tài)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)獲得信號(hào)量后，立即從用戶自定義的接收緩沖隊(duì)列取出數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。鍵盤(pán)掃描任務(wù)檢測(cè)到按鍵被按下時(shí)，進(jìn)行去抖動(dòng)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(guò)串口向遠(yuǎn)端發(fā)送。

結(jié) 語(yǔ)
    本文舉例說(shuō)明了Small RTOS51環(huán)境下包含多任務(wù)的串行通信，重點(diǎn)敘述了多任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程和任務(wù)間的同步與通信。該應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)問(wèn)的測(cè)試，沒(méi)有發(fā)生數(shù)據(jù)到達(dá)串口時(shí)因沒(méi)能及時(shí)處理而被后來(lái)到達(dá)的數(shù)據(jù)覆蓋而造成丟失的情況，也沒(méi)有發(fā)生按下按鍵時(shí)不能及時(shí)處理的情況，應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性要求均可滿足。
    Small RTOS51是一個(gè)占用系統(tǒng)資源極小的嵌入式實(shí)時(shí)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(guò)程簡(jiǎn)單。使用它開(kāi)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(kāi)發(fā)周期。