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

摘要：隨著單片機(jī)應(yīng)用的擴(kuò)展，原有的編程思想難以滿足復(fù)雜多任務(wù)系統(tǒng)的要求，為此將操作系統(tǒng)引入單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)。文章在用戶專用鍵盤軟件開發(fā)中引入PTX51實(shí)時操作系統(tǒng)，介紹了整個系統(tǒng)的任務(wù)分配，分析了各個任務(wù)的運(yùn)行機(jī)制，并給出流程圖及主要程序代碼。通過采用RTX51實(shí)時操作系統(tǒng)，不僅提高了軟件開發(fā)效率，而且控制方案更加科學(xué)合理。
關(guān)鍵詞：RTX51；多任務(wù)；單片機(jī)；軟件設(shè)計(jì)

0 引言
傳統(tǒng)的用戶專用鍵盤單片機(jī)軟件采用結(jié)構(gòu)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，并且每個任務(wù)執(zhí)行的操作簡單，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，會發(fā)現(xiàn)程序一些可以改進(jìn)的地方，如：執(zhí)行時間短的任務(wù)不得不排隊(duì)等待執(zhí)行時間長的任務(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，程序因此無法進(jìn)行移植升級而不得不重新開發(fā)。
基于RTX51實(shí)時操作系統(tǒng)進(jìn)行單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)，可以真正做到各任務(wù)并行執(zhí)行，同時，由于程序結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，可以方便地實(shí)現(xiàn)修改升級，以滿足功能較多的設(shè)計(jì)要求。

1 用戶專用鍵盤簡介
用戶專用鍵盤多使用在工業(yè)控制場合，它由按鍵和指示燈組成，對外采用RS232接口，當(dāng)某個按鍵按下時，鍵盤將命令(碼值)發(fā)送計(jì)算機(jī)，同時，鍵盤接收來自計(jì)算機(jī)的命令(碼值)點(diǎn)亮(熄滅)某個指示燈，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)部包含多個輸出鎖存器。工作時，單片機(jī)輸出的地址信號經(jīng)可編程芯片內(nèi)部譯碼器譯碼產(chǎn)生片選信號，使能不同的輸出鎖存器，將數(shù)據(jù)信號輸出控制各個指示燈的亮／滅。

2 RTX51實(shí)時操作系統(tǒng)介紹
RTX51是德國Keil公司開發(fā)的一種應(yīng)用于MCS51系列單片機(jī)的實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)，它有兩個版本，RTX51 Full和RTX51 Tiny，本文采用
RTX51 Tiny進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。RTX51 Tiny是一個很小的內(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)左右的程序存儲空間。
RTX51 Tiny允許最大16個任務(wù)循環(huán)切換，在實(shí)現(xiàn)上，它采用時間片輪轉(zhuǎn)算法，系統(tǒng)每次調(diào)度時，把CPU分配給一個就緒的任務(wù)，并令其執(zhí)行一個時間片，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。RTX51 Tiny支持任務(wù)間的信號傳遞，還能并行地利用中斷功能。
RTX51 Tiny的用戶任務(wù)主要具有以下幾個狀態(tài)：
·運(yùn)行(RUNNING)：任務(wù)正處于運(yùn)行中。同一時刻只有一個任務(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)核用以下事件進(jìn)行任務(wù)問的通信和同步：
·超時(TIMEOUT)：由OS-wait函數(shù)調(diào)用引發(fā)的時間延時，持續(xù)時間可由定時節(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)的時間間隔，其間隔時間可由定時節(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)生時鐘。
·信號(SIGNAL)：系統(tǒng)定義的位變量，可以由系統(tǒng)函數(shù)置位或清除?？梢哉{(diào)用OS-wait函數(shù)暫停一個任務(wù)并等待從另一任務(wù)發(fā)出的信號，這可以用于協(xié)調(diào)兩個或更多的任務(wù)。如果某個任務(wù)在等待一個信號并且信號標(biāo)志為0，則在收到這個信號之前，這個任務(wù)將一直處于掛起狀態(tài)。如果信號標(biāo)志已經(jīng)被置1，則當(dāng)任務(wù)查詢信號時，信號標(biāo)志會被清除，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)前面對用戶專用鍵盤功能的描述，它主要實(shí)現(xiàn)以下兩個功能：
(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；
以上兩個功能需要并行運(yùn)行，而內(nèi)部的子任務(wù)之間為前級驅(qū)動后級的關(guān)系，在程序?qū)嶋H運(yùn)行過程中，功能二(2)的任意子任務(wù)可能與功能(1)的任務(wù)1或任務(wù)2或任務(wù)3處于同時并行運(yùn)行狀態(tài)，鑒于此，需要在程序設(shè)計(jì)時創(chuàng)建5個子任務(wù)。
采用時間輪詢的方式?jīng)Q定了某個任務(wù)在執(zhí)行完時間片后，在下一次執(zhí)行前需要等待固定的時間，這個時間與系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)及每個任務(wù)的執(zhí)行時間密切相關(guān)，為避免數(shù)據(jù)丟失，串口接收任務(wù)應(yīng)及時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)送時要求將整個按鍵碼值數(shù)據(jù)包一次性發(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)送完一個字節(jié)后觸發(fā)串口發(fā)送中斷標(biāo)志，再次進(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)的個數(shù)由5個減少為3個，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)間信號關(guān)系如圖2所示。

如圖，任務(wù)1在檢測到按鍵狀態(tài)變化后向任務(wù)2發(fā)送信號，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)的下一個時間片，任務(wù)2開始進(jìn)行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，串口數(shù)據(jù)通過中斷服務(wù)程序接收，串口數(shù)據(jù)接收后即發(fā)送信號給任務(wù)3，使后者進(jìn)入“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，并在下一個時間片到來后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
以上三個任務(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)程序的信號后被“喚起”。另有任務(wù)0，負(fù)責(zé)創(chuàng)建任務(wù)1、2、3，然后刪除自己。任務(wù)0簡化程序如下所示：
#define INIT 0／*任務(wù)0：初始化及創(chuàng)建*／
#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_INIT{
Serial_init()；
Os_create task(SCAN)；
Os_create_task(KEY)；
Os_create_task(LIGHT)；
Os_delete-task(INIT)；
}
以下對中斷服務(wù)程序及各個任務(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，然后分別進(jìn)行處理。對于接收的數(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)進(jìn)行處理。
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)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?，?shù)據(jù)一旦接收完畢即存入緩沖區(qū)，并在專門的任務(wù)中進(jìn)行處理。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)建后即被“掛起”，此時該任務(wù)處于“等待”狀態(tài)，不占用任何時間片，只有當(dāng)任務(wù)接收到“喚起”信號后才繼續(xù)執(zhí)行。本程序中“喚起”信號來自中斷服務(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)送信號量給串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)，使后者處于“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，當(dāng)下一時間片來到時，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)，等待下一次串口數(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口的值獲取每個按鍵的當(dāng)前狀態(tài)，然后將當(dāng)前狀態(tài)值與存儲在內(nèi)存中的上一次狀態(tài)值進(jìn)行比較，通過比較結(jié)果判斷該按鍵狀態(tài)是否發(fā)生變化。為消除按鍵按下時抖動造成的多次狀態(tài)變化，在掃描到某個按鍵狀態(tài)發(fā)生改變后，延時一段時間后進(jìn)行第二次掃描，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*／
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)送信號至按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)+／
}
}
}
}
程序中，采用等待超時信號(K_TMO)來實(shí)現(xiàn)兩次掃描間的延時，這樣設(shè)計(jì)的好處是，在延時期間，由于本任務(wù)處于“等待”狀態(tài)，系統(tǒng)可以進(jìn)行任務(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，提高整個系統(tǒng)的工作效率。需要注意的是，K_TMO是等待產(chǎn)生超時信號，當(dāng)信號產(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，到自己的時間片后才會執(zhí)行。這樣，最后的延時效果是延時時間加上正在運(yùn)行的任務(wù)的執(zhí)行時間。在用戶專用鍵盤軟件中，同時可能在運(yùn)行的任務(wù)只有“串口數(shù)據(jù)處理”。由于該任務(wù)運(yùn)行時間與K TMO延時時間比較少很多，因此可以忽略不計(jì)，而認(rèn)為兩次掃描間的延時時間就是K_TMO的時間。假設(shè)同時運(yùn)行的任務(wù)較多，并且每個任務(wù)占用的時間較長，則延時時間應(yīng)該取K_TMO加上所有同時運(yùn)行任務(wù)的執(zhí)行時間之和，即按鍵按下的時間必須不小于此時間，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)簡化的源程序：
Encode()_task_KEY{
…
While(1){
Os_wait(K_SIG,0,0)；／*等待鍵碼查詢信號*／
Keygetcode()；／*獲取鍵碼值*／
If(sendempty=1){／*判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為“空”*／
SBUF=keycode；／*發(fā)送緩沖區(qū)為”空”，則直接發(fā)送*／
}Else{
Outbuf[i++]=keycode；／*否則，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，*／
／*待上一數(shù)據(jù)發(fā)送完后自動發(fā)送*／
}
}
}

4 結(jié)論
實(shí)踐證明，在引入RTX51 Tiny實(shí)時操作系統(tǒng)后，軟件開發(fā)周期縮短，程序結(jié)構(gòu)更加清晰，系統(tǒng)實(shí)時性和并行性大大增強(qiáng)，開發(fā)出的程序具有較高的可維護(hù)性和可移植性。