基于Small RTOS51的多任務(wù)串行通信研究

引 言
在簡單的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，前／后臺系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。其中應(yīng)用程序是一個(gè)無限循環(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行為，也稱為任務(wù)級；中斷服務(wù)程序處理異步事件，可以看作前臺，也叫中斷級，時(shí)間相關(guān)性很強(qiáng)的操作靠中斷服務(wù)程序來保證。中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺程序運(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先生編寫的源碼開放的實(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，相對于處理能力有限的單片機(jī)來說有些勉強(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)都帶來不便。 RTX51是德國Keil公司開發(fā)的一種小型的專門應(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較為簡單，但是任務(wù)沒有優(yōu)先級和中斷管理，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)編寫的源碼公開的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，支持任務(wù)優(yōu)先級和中斷管理，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)說明Small RTOS51環(huán)境下的多任務(wù)串行通信。

1 Small RTOS51簡介
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，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)無限循環(huán)，每個(gè)任務(wù)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(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：信號量和消息隊(duì)列。
信號量由兩部分組成：一個(gè)是信號量的計(jì)數(shù)值，它是一個(gè)8位無符號的整數(shù)；另一個(gè)是由等待該信號量的任務(wù)組成的等待任務(wù)表，所有對信號量的訪問都必須通過信號量索引來實(shí)現(xiàn)。信號量索引是一個(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量數(shù)目。
消息隊(duì)列實(shí)際上是一個(gè)8位無符號的字節(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，包含了鍵盤電路、看門狗電路和顯示電路等幾個(gè)部分。硬件設(shè)計(jì)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(jīng)P89V51RD2單片機(jī)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(shí)，進(jìn)行相應(yīng)的處理并生成一串命令數(shù)據(jù)通過串口向遠(yuǎn)端發(fā)送。