RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的用戶專用鍵盤軟件設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的用戶專用鍵盤軟件設(shè)計(jì) 0 引言 傳統(tǒng)的用戶專用鍵盤單片機(jī)軟件采用構(gòu)造化設(shè)計(jì)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(wù)。由于任務(wù)的數(shù)量少，并且每個(gè)任務(wù)執(zhí)行的操作簡(jiǎn)單，此種設(shè)計(jì)可以使得軟件較好地滿足功能要求。但仔細(xì)分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)程序一些可以改良的地方，如：執(zhí)行時(shí)間短的任務(wù)不得不排隊(duì)等待執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)的任務(wù)的完成。此外，如果用戶的設(shè)計(jì)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(fù)雜化等)，原有的編程思想將很難滿足要求，程序因此無(wú)法開展移植升級(jí)而不得不重新開發(fā)。 基于RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開展單片機(jī)

2、軟件設(shè)計(jì)，可以真正做到各任務(wù)并行執(zhí)行，同時(shí)，由于程序構(gòu)造更加科學(xué)合理，可以方便地實(shí)現(xiàn)修改升級(jí)，以滿足功能較多的設(shè)計(jì)要求。 1 用戶專用鍵盤簡(jiǎn)介 用戶專用鍵盤多使用在工業(yè)控制場(chǎng)合，它由按鍵和指示燈組成，對(duì)外采用RS232接口，當(dāng)某個(gè)按鍵按下時(shí)，鍵盤將命令(碼值)發(fā)送計(jì)算機(jī)，同時(shí)，鍵盤接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的命令(碼值)點(diǎn)亮(熄滅)某個(gè)指示燈，以指示系統(tǒng)工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)快速人機(jī)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出接口擴(kuò)展，其內(nèi)部包含多個(gè)輸出鎖存器。工作時(shí)，單片機(jī)輸出的地址信號(hào)經(jīng)可編程芯片內(nèi)部譯碼器譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)，使能不同的輸出鎖存器，將數(shù)據(jù)信號(hào)輸出控制各個(gè)指示

3、燈的亮滅。 2 RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)介紹 RTX51是德國(guó)Keil公司開發(fā)的一種應(yīng)用于MCS51系列單片機(jī)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它有兩個(gè)版本，RTX51 Full和RTX51 Tiny，本文采用 RTX51 Tiny開展軟件設(shè)計(jì)。RTX51 Tiny是一個(gè)很小的內(nèi)核，完全集成在Keil C51編譯器中，它可以很容易地運(yùn)行在沒有擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的單片機(jī)系統(tǒng)上，并且僅占用800字節(jié)左右的程序存儲(chǔ)空間。 RTX51 Tiny允許16個(gè)任務(wù)循環(huán)切換，在實(shí)現(xiàn)上，它采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法，系統(tǒng)每次調(diào)度時(shí)，把CPU分配給一個(gè)就緒的任務(wù)，并令其執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片，構(gòu)成微觀上輪流運(yùn)行、宏觀上并行執(zhí)行的多任務(wù)效果。RTX

4、51 Tiny支持任務(wù)間的信號(hào)傳遞，還能并行地利用中斷功能。 RTX51 Tiny的用戶任務(wù)主要具有以下幾個(gè)狀態(tài)： 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)。 準(zhǔn)備好(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)。 等待(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。 RTX51 Tiny內(nèi)核用以下事件開展任務(wù)問的通信和同步： 超時(shí)(TIMEOUT)：由OS-wait函

5、數(shù)調(diào)用引發(fā)的時(shí)間延時(shí)，持續(xù)時(shí)間可由定時(shí)節(jié)拍數(shù)確定。帶有TIMEOUT值調(diào)用OS-it函數(shù)的任務(wù)將被掛起，直到延時(shí)結(jié)束，才返回到“READY”。 間隔(INTERVAL)：由OS-wait函數(shù)調(diào)用引發(fā)的時(shí)間間隔，其間隔時(shí)間可由定時(shí)節(jié)拍數(shù)確定。帶有INTERVAL值調(diào)用wait函數(shù)的任務(wù)將被掛起，直到間隔時(shí)間結(jié)束，然后返回到READY狀態(tài)。與TIMEOUT不同的是，任務(wù)的節(jié)拍計(jì)數(shù)器不復(fù)位，典型應(yīng)用是產(chǎn)生時(shí)鐘。 信號(hào)(SIGNAL)：系統(tǒng)定義的位變量，可以由系統(tǒng)函數(shù)置位或去除?？梢哉{(diào)用OS-wait函數(shù)暫停一個(gè)任務(wù)并等待從另一任務(wù)發(fā)出的信號(hào)，這可以用于協(xié)調(diào)兩個(gè)或更多的任務(wù)。如果某個(gè)任務(wù)在等待一個(gè)信號(hào)

6、并且信號(hào)標(biāo)志為0，則在收到這個(gè)信號(hào)之前，這個(gè)任務(wù)將一直處于掛起狀態(tài)。如果信號(hào)標(biāo)志已經(jīng)被置1，則當(dāng)任務(wù)查詢信號(hào)時(shí)，信號(hào)標(biāo)志會(huì)被去除，任務(wù)將可以被繼續(xù)執(zhí)行。 3 用戶專用鍵盤軟件設(shè)計(jì) 3.1 任務(wù)分配 根據(jù)前面對(duì)用戶專用鍵盤功能的描述，它主要實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)功能： (1)按鍵處理； (2)串口數(shù)據(jù)處理。 其中功能(1)又可細(xì)分為以下三個(gè)任務(wù)： 任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描； 任務(wù)2：按鍵碼值查詢； 任務(wù)3：串口發(fā)送； 同樣，功能(2)也可細(xì)分為以下兩個(gè)任務(wù)： 任務(wù)4：串口接收； 任務(wù)5：串口數(shù)據(jù)處理； 以上兩個(gè)功能需要并行運(yùn)行，而內(nèi)部的子任務(wù)之間為前級(jí)驅(qū)動(dòng)后級(jí)的關(guān)系，在程序?qū)嶋H運(yùn)行過程中，功能二(2)的任意子

7、任務(wù)可能與功能(1)的任務(wù)1或任務(wù)2或任務(wù)3處于同時(shí)并行運(yùn)行狀態(tài)，鑒于此，需要在程序設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)立5個(gè)子任務(wù)。 采用時(shí)間輪詢的方式?jīng)Q定了某個(gè)任務(wù)在執(zhí)行完時(shí)間片后，在下執(zhí)行前需要等待固定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間與系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)及每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間密切相關(guān)，為防止數(shù)據(jù)丟失，串口接收任務(wù)應(yīng)及時(shí)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(yùn)行的任務(wù)是相互獨(dú)立的，即中斷處理過程在RTX51系統(tǒng)內(nèi)核之外和任務(wù)切換規(guī)則沒有關(guān)聯(lián)，因此可以在串口中斷服務(wù)程序中完成串口接收任務(wù)。另外，串口發(fā)送時(shí)要求將整個(gè)按鍵碼值數(shù)據(jù)包性發(fā)送完畢，如果將串口發(fā)送過程在中斷服務(wù)程序中完成，在SBUF緩存器發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后觸發(fā)串口發(fā)送中斷標(biāo)志，再

8、次進(jìn)入中斷服務(wù)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(shí)現(xiàn)上述要求。根據(jù)以上分析，串口接收、串口發(fā)送兩個(gè)子任務(wù)的功能在中斷服務(wù)程序中完成，將系統(tǒng)子任務(wù)的個(gè)數(shù)由5個(gè)減少為3個(gè)，調(diào)整后的任務(wù)分配如下： 任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描(TASK SCAN)； 任務(wù)2：按鍵碼值查詢(TASK KEY)； 任務(wù)3：串口數(shù)據(jù)處理(TASK LIGHT)； 中斷服務(wù)程序：串口接收、發(fā)送。 任務(wù)間信號(hào)關(guān)系如圖2所示。 如圖，任務(wù)1在檢測(cè)到按鍵狀態(tài)變化后向任務(wù)2發(fā)送信號(hào)，任務(wù)2隨后由等待狀態(tài)進(jìn)入“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，在本任務(wù)的下一個(gè)時(shí)間片，任務(wù)2開始開展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(shí)，串口數(shù)據(jù)通過中斷

9、服務(wù)程序接收，串口數(shù)據(jù)接收后即發(fā)送信號(hào)給任務(wù)3，使后者進(jìn)入“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，并在下一個(gè)時(shí)間片到來(lái)后開展數(shù)據(jù)處理。 以上三個(gè)任務(wù)中，任務(wù)l始終處于“運(yùn)行”或“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，任務(wù)2、任務(wù)3大多數(shù)時(shí)間處于“等待”狀態(tài)，任務(wù)2、任務(wù)3分別在接收到按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)、中斷服務(wù)程序的信號(hào)后被“喚起”。另有任務(wù)0，負(fù)責(zé)創(chuàng)立任務(wù)1、2、3，然后刪除自己。任務(wù)0簡(jiǎn)化程序如下所示： #define INIT 0*任務(wù)0：初始化及創(chuàng)立* #define SCAN 1*任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描* #define KEY 2*任務(wù)2：按鍵碼值查詢* #define LIGHT 3*任務(wù)3：串口數(shù)據(jù)處理* Init()_task

10、_INIT Serial_init()； Os_create task(SCAN)； Os_create_task(KEY)； Os_create_task(LIGHT)； Os_delete-task(INIT)； 以下對(duì)中斷服務(wù)程序及各個(gè)任務(wù)分別予以介紹。 3.2 中斷服務(wù)程序 用戶專用鍵盤串口接收、發(fā)送中斷服務(wù)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，然后分別開展處理。對(duì)于接收的數(shù)據(jù)，程序?qū)⑵浯嫒虢邮站彌_區(qū)，然后通知串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)開展處理。 用戶專用鍵盤數(shù)據(jù)的發(fā)送在中斷服務(wù)程序中完成，上一字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢產(chǎn)生中斷，進(jìn)

11、入中斷服務(wù)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?nèi)蝿?wù)中存入。簡(jiǎn)化的中斷服務(wù)程序如下： 3.3 串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)(TASK_LIGHT) 中斷服務(wù)程序只處理串口緩存器SBUF的讀取或?qū)懭耄瑪?shù)據(jù)一旦接收完畢即存入緩沖區(qū)，并在專門的任務(wù)中開展處理。在多任務(wù)系統(tǒng)的用戶專用鍵盤程序中，串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)在創(chuàng)立后即被“掛起”，此時(shí)該任務(wù)處于“等待”狀態(tài)，不占用任何時(shí)間片，只有當(dāng)任務(wù)接收到“喚起”信號(hào)后才繼續(xù)執(zhí)行。本程序中“喚起”信號(hào)來(lái)自中斷服務(wù)程序。由于中斷處理過程可以同RTX51任務(wù)互發(fā)信號(hào)或交換數(shù)據(jù)，因此，中斷服務(wù)程序在接收到數(shù)據(jù)后立即發(fā)送信號(hào)量給串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)，使后者處

12、于“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，當(dāng)下一時(shí)間片來(lái)到時(shí)，串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)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(wù)為循環(huán)操作，當(dāng)所有接收的數(shù)據(jù)處理完畢后，任務(wù)再次進(jìn)入“等待”狀態(tài)，等待下串口數(shù)據(jù)接收后的處理。圖3中，斜體部分即為中斷服務(wù)程序發(fā)送信號(hào)至串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)的過程。串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)的簡(jiǎn)化程序如下： 3.4 按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)(TASK SCAN) 按鍵狀態(tài)掃描為一個(gè)循環(huán)執(zhí)行的任務(wù)，程序通過不斷地讀取單片機(jī)IO口的值獲取每個(gè)按鍵的當(dāng)前狀態(tài)，然后將當(dāng)前狀態(tài)值與存儲(chǔ)在內(nèi)存中的上狀態(tài)值開展比較，通過比較結(jié)果判斷該按鍵狀態(tài)是否發(fā)生變化。為消除按鍵按下時(shí)抖動(dòng)造成的多次狀態(tài)變化，在掃描到某個(gè)按鍵狀態(tài)發(fā)生改變后

13、，延時(shí)一段時(shí)間后開展第二次掃描，如果兩次掃描結(jié)果相同則認(rèn)為該按鍵狀態(tài)確實(shí)發(fā)生改變，并轉(zhuǎn)入下一步處理。按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)流程如圖4所示。 下面給出按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)簡(jiǎn)化的源程序： Scan()_task_SCAN*按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)* While(1) Key_first_scan()；*第1次掃描* If(Keychanged=1) Os_wait(K_TMO，2，0)*延時(shí)* 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(hào)至按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)+ 程序中，采用等待超時(shí)

14、信號(hào)(K_TMO)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩次掃描間的延時(shí)，這樣設(shè)計(jì)的好處是，在延時(shí)期間，由于本任務(wù)處于“等待”狀態(tài)，系統(tǒng)可以開展任務(wù)切換，使其它任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，從而在保證系統(tǒng)功能的前提下，提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。需要注意的是，K_TMO是等待產(chǎn)生超時(shí)信號(hào)，當(dāng)信號(hào)產(chǎn)生后，只是將相應(yīng)的任務(wù)置上“準(zhǔn)備好”標(biāo)志位，任務(wù)并不是立即就能夠運(yùn)行，任務(wù)需要等到其它任務(wù)輪流執(zhí)行，到自己的時(shí)間片后才會(huì)執(zhí)行。這樣，的延時(shí)效果是延時(shí)時(shí)間加上正在運(yùn)行的任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。在用戶專用鍵盤軟件中，同時(shí)可能在運(yùn)行的任務(wù)只有“串口數(shù)據(jù)處理”。由于該任務(wù)運(yùn)行時(shí)間與K TMO延時(shí)時(shí)間比較少很多，因此可以忽略不計(jì)，而認(rèn)為兩次掃描間的延時(shí)時(shí)間就是K_TMO的時(shí)間。假設(shè)同時(shí)運(yùn)行的任務(wù)較多，并且每個(gè)任務(wù)占用的時(shí)間較長(zhǎng)，則延時(shí)時(shí)間應(yīng)該取K_TMO加上所有同時(shí)運(yùn)行任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間之和，即按鍵按下的時(shí)間必須不小于此時(shí)間，才能保證每次按鍵操作都能正確響應(yīng)。 3.5 按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)(TASK KEY) 按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)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(wù)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(rèn)緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)即串口發(fā)送中斷會(huì)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?nèi)蝿?wù)簡(jiǎn)化的源程序： Encode()_task_KEY While(1) Os_wait(K_SIG