第15章RTX51實時操作系統(tǒng)

第15章RTX51實時操作系統(tǒng)

RTOS概述

RTX51系統(tǒng)特點

RTX51的程序設計

RTX51的系統(tǒng)配置

RTX51的應用舉例15.1

RTOS概述單任務系統(tǒng)的設計思路：傳統(tǒng)的單片機程序多為單任務系統(tǒng)，其業(yè)務邏輯順序安排在主函數(shù)中。主函數(shù)是整個程序的入口，一般包含一個死循環(huán)，循環(huán)過程中通過調(diào)用函數(shù)來完成相應的操作，而對于一些較短的實時任務則通過中斷方式進行處理。此種程序結構簡單、直觀、易于實現(xiàn)，但對于較復雜的應用，此種結構極為不便，并且不能滿足實時性要求較高的場合15.1.1單任務/多任務順序執(zhí)行的單任務程序設計voidmain(){ intcounter=0; while(1){ check_serial_io(); //檢查串行輸入

process_serial_cmds();

//處理串行輸入

check_kbd_io(); //檢查鍵盤輸入

process_kbd_cmds();//處理鍵盤輸入

app_execute(); //應用程序執(zhí)行

counter++; //循環(huán)計數(shù)

}}順序執(zhí)行的單任務程序設計該例中，每個函數(shù)執(zhí)行一個獨立操作或任務。任務依次按順序執(zhí)行。當任務數(shù)量增加時，調(diào)度會成為問題。例如，若process_kbd_cmds()函數(shù)的執(zhí)行耗費大量時間，主循環(huán)會很慢才執(zhí)行到check_serial_io()，此時串口數(shù)據(jù)可能已經(jīng)丟失。多任務系統(tǒng)的執(zhí)行特點多任務系統(tǒng)的設計思路：各功能模塊（如顯示、鍵盤掃描等等）處于等同地位。各功能模塊執(zhí)行順序可在程序運行過程中動態(tài)地改變。各子任務在自已的時間片內(nèi)運行，通過合理設計時間片大小和各任務的優(yōu)先級，可以自然地滿足系統(tǒng)內(nèi)各種復雜的時序要求。類似這樣的任務管理和調(diào)度，就是多任務OS的核心。多任務系統(tǒng)的執(zhí)行特點check_serial_io(

)process_serial_cmds(

)check_kbd_io(

)process_kbd_cmds(

)app1_execute(

)app2_execute(

)任務調(diào)度時間片輪轉(zhuǎn)、任務優(yōu)先級設定等功能15.1.2什么是RTOS實時操作系統(tǒng)（Real-Time

Operating

System，RTOS），是指當外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時，能夠接受并以足夠快的速度予以處理，其處理的結果又能在規(guī)定的時間之內(nèi)來控制生產(chǎn)過程或?qū)μ幚硐到y(tǒng)作出快速響應，并控制所有實時任務協(xié)調(diào)一致運行的操作系統(tǒng)。RTOS廣泛應用于嵌入式計算機技術領域，比如μCOS、VxWork、Linux、WinCE等，51單片機上常用的SmallRTOS51，還有目前手機中廣泛使用的Android、iOS，都是典型的RTOS。15.2

RTX51的特點RTX51是一款小巧的針對基于8051核心的嵌入式系統(tǒng)的多任務RTOS。使用它可以簡化比較復雜、有嚴格時間限制的程序的設計過程。RTX51主要有兩個不同的可用版本：標準版（RTX51-Full）和精簡版（RTX51-Tiny）。在RTX51-Full中：既可以以輪循（Round-Robin）方式執(zhí)行任務，也可以按4級任務優(yōu)先級的方式切換不同優(yōu)先級的任務。以并行方式工作，支持中斷管理，信號和消息可以通過郵箱系統(tǒng)在不同任務之間傳遞。RTX51-Tiny是RTX51-Full的一個子集，支持RTX51中絕大多數(shù)的特性，且不需要外部RAM(XDATA)。RTX51-Tiny支持RTX51-Full的許多特性，但不具有以下功能：不支持優(yōu)先任務切換不包含信息子程序無存儲器庫分配子程序。15.2

RTX51的特點描述RTX51-FullRTX51-Tiny任務數(shù)量最多256個；可同時激活19個16個RAM需求40~46Byte的DATA空間20~200ByteIDATA空間(用戶堆棧)最小650字節(jié)XDATA空間7Byte的DATA空間3倍于任務數(shù)量的IDATA空間代碼要求6KB~8KB900Byte硬件要求定時器0或定時器1定時器0系統(tǒng)時鐘1000到40000個周期1000到65535個周期中斷請求時間小于50個周期小于20個周期任務切換時間快速任務：70~100個周期標準任務：180~700個周期(取決于堆棧負載)100~700個周期(取決于堆棧負載)郵箱系統(tǒng)8個分別帶有整數(shù)入口的信箱不提供內(nèi)存池最多16個內(nèi)存池不提供信號量8*1位不提供15.3

RTX51的程序設計由于Keil

C中自帶RTX51-Tiny版，下面就以Tiny版本為例，簡要介紹其軟件設計方法。軟件環(huán)境的要求：在使用RTX51-TINY時，需要以下軟件支持：1）C51編譯器2）BL51連接定位器3）A51宏匯編器庫文件RTX51TNY.LIB必須存儲在C51\LIB下，必須指定C51運行庫的路徑。頭文件RTX51TNY.h必須存儲在C51\INC下，必須指定C51包含文件的路徑。15.3

RTX51的程序設計

—運行機制RTX51Tiny通過輪循（Round-Robin）方式來實現(xiàn)多任務，以達到多個無限循環(huán)或任務的準并行執(zhí)行。這里的多任務并不是真正同時執(zhí)行的，而是使用不同的時間片來執(zhí)行，即只是宏觀上的同時執(zhí)行。它將可用的CPU周期分成多個時間片，由RTX51把這些時間片分配給每一個任務使用。每個任務只能在預定的時間片里運行，然后RTX51再切換到另一個己經(jīng)準備就緒的任務，讓它再執(zhí)行一定的時間片。時間片一般是比較短促的，一個時間片大約只有毫秒級時間。正是由于這個原因，在用戶看來，多個任務似乎是在同時執(zhí)行的。15.3

RTX51的程序設計

—運行機制RTX51利用了一個由定時器0的中斷信號驅(qū)動的定時程序來實現(xiàn)上述時間片的控制。定時器產(chǎn)生的周期性中斷信號用來驅(qū)動RTX51的定時節(jié)拍。SFR中的全局中斷允許位EA或定時器0中斷允許位ET0被屏蔽，都可能使RTX51-Tiny停止運行。因此，除非有特殊的應用目的，應該使定時器0的中斷始終開啟，以保證RTX51-Tiny的正常運行。15.3

RTX51的程序設計

—任務在RTX51系統(tǒng)中，一個任務體現(xiàn)為一個C51函數(shù)，該函數(shù)不能有返回值，不能有參數(shù)，且函數(shù)體必須是一個無限循環(huán)，以保證該函數(shù)不能返回。實際應用中，一個復雜的系統(tǒng)往往被分解成若干可以并行處理的任務，每個任務只完成一個單一的操作(如鍵盤掃描、顯示、通信等)，從而降低系統(tǒng)設計的難度。在RTX51-Tiny系統(tǒng)中一個具體的任務通過下面的格式定：15.3

RTX51的程序設計

—任務

voidtaskname(void)_task_num其中，num是任務號，取值為0-15；taskname是任務名稱（亦即函數(shù)名）。下面是一個具體的任務定義voidinit(void)_task_0{

/*操作語句*/ while(1){

/*操作語句*/ }}RTX51-Tiny最多只允許處理16個任務15.3

RTX51的程序設計

—任務RTX51區(qū)分2類任務：快速任務和標準任務?？焖偃蝿沼泻芸斓捻憫俣?，每個快速任務使用8051一個單獨的寄存器組，并且有自己的堆棧區(qū)域。RTX51支持最大同時有3個快速任務。標準任務需要多一點的時間來進行任務切換，因此使用的內(nèi)部RAM相對快速任務要少，所有的標準任務共用1個寄存器組和堆棧。當任務切換的時候，當前任務的寄存器狀態(tài)和堆棧內(nèi)容轉(zhuǎn)移到外部存儲器中。RTX51-Full支持任務最多達64個；RTX51-Tiny僅支持標準任務，最多16個。這里我們僅討論標準任務15.3

RTX51的程序設計

—任務狀態(tài)RTX51-Tiny的用戶任務有5種狀態(tài)，如下表所示。某一時刻用戶任務處在某個狀態(tài)，在一定條件下任務狀態(tài)可以發(fā)生改變。狀態(tài)描述運行(RUNNING)當前正在運行的任務處于RUNNING態(tài)，同一時刻只能有1個任務處于該狀態(tài)。就緒(READY)等待運行的任務處于READY態(tài)，可能有多個。當前運行的任務時間片完成后，從READY態(tài)的任務隊列中選取下一個任務運行，使其進入RUNNING態(tài)。超時(TIMEOUT)任務由于時間片用完處于TIMEOUT態(tài)，在僅具有時間片輪循調(diào)度方式的RTX51-Tiny中，該狀態(tài)等價于READY態(tài)。等待(WAITING)正在等待一個事件發(fā)生的任務處于WAITING態(tài)。如果該事件發(fā)生，則任務進入READY態(tài)。刪除(DELETED)尚未啟動的任務處于DELETED態(tài)15.3

RTX51的程序設計

—任務狀態(tài)5種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)化條件：READY態(tài)/TIMEOUT態(tài)RUNNING態(tài)WAITING態(tài)時間片到來時間片結束等待一個事件事件發(fā)生15.3

RTX51的程序設計

—一個示例#include<reg51.h>#include<rtx51tny.h>uintcounter0=0;uintcounter1=0;voidjob0()_task_0{ //程序的執(zhí)行從任務0開始 os_create_task(1); //將任務1標記為“READY”狀態(tài) while(1)counter0++; //任務函數(shù)內(nèi)部必須構成死循環(huán)}voidjob1()_task_1{ while(1)counter1++; //任務函數(shù)內(nèi)部必須構成死循環(huán)}思考：counter0和counter1是交替加1么？不能出現(xiàn)main()函數(shù)15.3

RTX51的程序設計

—用于任務管理的常見系統(tǒng)函數(shù)1、os_create_task函數(shù)原型：char

os_create_task(unsignedchartask_id);功能說明：啟動已定義的編號為task_id的任務，并標記為就緒，準備執(zhí)行。返回值：如果任務成功啟動，此函數(shù)返回0值；如果沒有task_id說明的任務，則返回-1。2、os_delete_task函數(shù)原型：char

os_delete_task(unsignedchartask_id);功能說明：停止編號為task_id的任務，并將此任務從任務表中刪除。返回值：如果任務被成功停止并刪除，函數(shù)返回0值；如果編號為task_id的任務沒有啟動或不存在，則返回-1。用于任務管理的常見系統(tǒng)函數(shù)3、os_running_task_id函數(shù)原型：char

os_running_task_id(void);功能說明：檢測當前處于運行態(tài)的任務編號。返回值：返回當前處于運行態(tài)的任務編號，返回值為0~15。4、os_set_ready函數(shù)原型：voidos_set_ready(unsignedchartask_id);功能說明：將編號為task_id的任務設置為就緒態(tài)。返回值：無用于任務管理的常見系統(tǒng)函數(shù)5、os_wait函數(shù)原型：char

os_wait(unsignedcharevent_sel,

/*等待的事件*/

unsignedcharticks,/*等待時長,即定時器的溢出次數(shù)*/ unsignedchardummy); /*Tiny版未用，恒為0*/功能說明：暫停當前執(zhí)行的任務，并等待一個或多個事件(如時間間隔、超時、從另一個任務或中斷發(fā)出的信號等)發(fā)生。參數(shù)event_sel說明所等待的一個或幾個事件的組合，事件種類如下表所示。事件描述K_SIG等待一個信號量K_TMO等待由ticks指定的超時時間K_IVL等待由ticks指定的時間間隔用于任務管理的常見系統(tǒng)函數(shù)5、os_wait返回值：當有一個指定的事件發(fā)生時，任務被置為就緒態(tài)。當任務繼續(xù)執(zhí)行時，os_wait返回重新啟動任務的特定事件。有以下可能的返回值：事件描述RDY_EVENT任務就緒標志被os_set_ready或isr_set_ready函數(shù)置位SIG_EVENT接收到一個信號量TMO_EVENT達到超時或間隔時間NOT_OKevent_sel參數(shù)無效用于任務管理的常見系統(tǒng)函數(shù)6、os_wait1函數(shù)原型：charos_wait1(unsignedcharevent_sel);

/*等待的事件*/功能說明：暫停當前執(zhí)行的任務，并等待一個事件發(fā)生。該函數(shù)是os_wait函數(shù)的一個子集，它不支持所有的事件，參數(shù)event_sel只能是K_SIG。返回值：與os_wait函數(shù)對比，缺少TMO_EVENT。7、os_wait2函數(shù)原型：charos_wait2(unsignedcharevent_sel,

/*等待的事件*/

unsignedcharticks);/*等待的定時器時標數(shù)*/功能說明：與os_wait函數(shù)相同，但沒有dummy參數(shù)。返回值：與os_wait函數(shù)相同用于任務管理的常見系統(tǒng)函數(shù)8、os_send_signal函數(shù)原型：char

os_send_signal(unsignedchartask_id);功能說明：該函數(shù)向編號task_id的任務發(fā)送一個信號。若該任務已經(jīng)在等待此信號，本函數(shù)將任務置為就緒態(tài)；若該任務沒有準備接收此信號，則信號將存儲在任務的信號標志中。返回值：函數(shù)執(zhí)行成功返回0；若指定的任務不存在，返回-1。9、os_clear_signal函數(shù)原型：char

os_clear_signal(unsignedchartask_id);功能說明：該函數(shù)向清楚號task_id的任務的信號標志。返回值：若信號標志被成功清零，返回0；若指定的任務不存在，返回-1。用于任務管理的常見系統(tǒng)函數(shù)10、isr_send_signal函數(shù)原型：char

isr_send_signal(unsignedchartask_id);功能說明：該函數(shù)功能與os_send_signal函數(shù)完全相同，區(qū)別在于只能從中斷函數(shù)中調(diào)用。返回值：函數(shù)執(zhí)行成功返回0；若指定的任務不存在，返回-1。11、isr_set_ready函數(shù)原型：void

isr_set_ready(unsignedchartask_id);功能說明：將編號為task_id的任務設置為就緒態(tài)。僅能從中斷函數(shù)中調(diào)用。返回值：無。用于任務管理的常見系統(tǒng)函數(shù)12、os_switch_task函數(shù)原型：char

os_switch_task(void);功能說明：該函數(shù)讓調(diào)用它的任務暫時停止運行，轉(zhuǎn)而切換至另外一個任務運行。如果調(diào)用該函數(shù)的任務是唯一一個就緒任務，那么該任務將立即恢復運行。返回值：無。用于任務管理的常見系統(tǒng)函數(shù)13、os_reset_interval函數(shù)原型：void

os_reset_interval(unsignedcharticks);功能說明：用于糾正由于os_wait函數(shù)同時等待K_SIG和K_IVL事件而產(chǎn)生的時間問題。如果一個信號事件(K_SIG)引起os_wait退出，時間間隔定時器并不調(diào)整，這樣會導致后續(xù)的os_wait調(diào)用（等待一個時間間隔）延遲的不是預期的時間周期。該函數(shù)允許將時間間隔定時器復位，這樣，后續(xù)對os_wait的調(diào)用就會按預期的操作進行。返回值：無。15.4

RTX51的系統(tǒng)配置編寫RTX51程序需要包含RTX51TNY.h文件。在程序中，需要用一個關鍵字“_task_”來聲明一個函數(shù)的任務屬性。RTX51程序不需要main函數(shù)。在進行連接處理時，會將執(zhí)行任務0所需要的代碼連接進來，作為開始執(zhí)行的代碼。用戶可以更改配置文件CONF_TNY.A51中的以下幾個參數(shù)：1)系統(tǒng)定時器中斷所用的寄存器組2)系統(tǒng)定時器的時間間隔3)Round-Robin的超時（time-out）值4)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的大小5)RTX5l啟動后的自由堆棧大小15.4

RTX51的系統(tǒng)配置以下是配置文件CONF_TNY.A51中的部分內(nèi)容;-----------------------------------------------------------------------------;RTX51-tiny的硬件定時器;用下面的EQU可預置RTX51的定時器時間常數(shù);用8051定時器0作為控制軟件的定時器;-----------------------------------------------------------------------------;定義定時器中斷用的寄存器組INT_REGBANK EQU 1 ;默認為寄存器1組;定義8051定時器0溢出所需的機器周期數(shù)INT_CLOCK EQU 10000 ;默認周期數(shù)為10000,即10ms;