如何構(gòu)造一個51單片機的實時操作系統(tǒng)

從Keil C51的內(nèi)存空間管理方式入手,著重討論實時操作系統(tǒng)在任務(wù)調(diào)度時的重入問題,分析一些解決重入的基本方式與方法：分析實時操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度的占先性,提出非占先的任務(wù)調(diào)度是能更適合于Keil C51的一種調(diào)度方式。為此,構(gòu)造這一實時操作系統(tǒng),并有針對性地介紹此系統(tǒng)的堆管理方法、任務(wù)的建立以廈任務(wù)的切換等。

目前,大多數(shù)的產(chǎn)品開發(fā)是在基于一些小容量的單片機上進行的。51系列單片機,是我國目前使用最多的單片機系列之一,有非常廣大的應用環(huán)境與前景,多年來的資源積累,使51系列單片機仍是許多開發(fā)者的首選。針對這種情況,近幾年涌現(xiàn)出許多基于51內(nèi)核的擴展芯片,功能越來越齊全,速度越來越快,也從一個側(cè)面說明了51系列單片機在國內(nèi)的生命力。

多年來我們一直想找一個合適的實時操作系統(tǒng),作為自己的開發(fā)基礎(chǔ)。根據(jù)開發(fā)需求,整合一些常用的嵌入式構(gòu)件,以節(jié)約開發(fā)時間,盡最大可能地減少開發(fā)工作量;另外,要求這個實時操作系統(tǒng)能非常容易地嵌入到小容量的芯片中。畢竟,大系統(tǒng)是少數(shù)的,而小應用是多數(shù)而廣泛的。顯而易見,μC/OS—II是不太適合于以上要求的,而Keil C所帶的RTX Tiny不帶源代碼,不具透明性,至于其FULL版本就更不用說了。

1 KeiI C51與重入問題

說到實時操作系統(tǒng),就不能不考慮重入問題。對于PC機這樣的大內(nèi)存處理器而言,這似乎并不是一個很麻煩的問題,借用μC/OS—II RTOS的說法,即要求在重入的函數(shù)內(nèi),使用局部變量。但5l系列單片機堆?？臻g很小,僅局限在256字節(jié)之內(nèi),無法為每個函數(shù)都分配一個局部堆空間。正是由于這個原因,Keil C51使用了所謂的可覆蓋技術(shù)：

①局部變量存儲在全局RAM空間(不考慮擴展外部存儲器的情況);

②在編譯鏈接時,即已經(jīng)完成局部變量的定位;

③如果各函數(shù)之間沒有直接或間接的調(diào)用關(guān)系,則其局部變量空間便可覆蓋。

正是由于以上的原因,在Keil C51環(huán)境下,純粹的函數(shù)如果不加處理(如增加一個模擬棧),是無法重人的。那么在Keil C5l環(huán)境下,如何使其函數(shù)具有可重人性呢?下面分析在實時操作系統(tǒng)下面,任務(wù)的基本結(jié)構(gòu)與模式：

vold TaskA(void*ptr){
UINT8 vaL_a;
／／其他一些變量定義
do{
／／實際的用戶任務(wù)處理代碼
}while(1);
}
void TaskB(void*ptr){
UINT8 vaLb;
／／其他一些變量定義
do{
Funcl();
／／其他實際的用戶任務(wù)處理代碼
)while(1);
void Funcl(){
UlNT8 v al_fa;
／／其他變量的定義
／／函數(shù)的處理代碼
}

在上面的代碼中,TaskA與TaskB并不存在直接或間接的調(diào)用關(guān)系,因而其局部變量val_a與val_b便是可以被互相覆蓋的,即其可能都被定位于某一個相同的RAM空間。這樣,當TaskA運行一段時間,改變了val_a后,TaskB取得CPU控制權(quán)并運行時,便可能會改變val_b。由于其指向相同的RAM空間,導致TaskA重新取得CPU控制權(quán)時,val—a的值已經(jīng)改變,從而導致程序運行不正確,反過來亦然。另一方面,Funcl()與TaskB有直接的調(diào)用關(guān)系,因而其局部變量val_fa與val_b不會被互相覆蓋,但也不能保證其局部變量val_fa不會與TaskA或其他任務(wù)的局部變量形成可覆蓋關(guān)系。

將val_a、val_b以及val_fa等局部變量定義為靜態(tài)變量(加上static指示符)可以解決這一問題。但問題是,定義大量的static類型變量,將導致RAM空間的大量占用,有可能直接導致RAM空間不夠用。尤其是在一些小容量的單片機內(nèi),一般只有128或256字節(jié),大量的靜態(tài)變量定義,在如此小的RAM資源狀況下顯然就不太合適了。由此而有了另一種的解決方法,如下代碼所示：

void TaskC(void){
UINT8 x,v;
whlk(1){
OS_ENTER_CRITICAL();
x=GetX(); (1)
y=GetY(); (2)
／／任務(wù)的其他代碼
OS_EXIT_CRITICAL(); (3)
0SSleep(100); (4)
}
}

以上代碼TaskC中使用了臨界保護的方法來保護代碼不被中斷占先,確實有效地解決了RAM空間太小,不宜大量定義靜態(tài)變量的問題。然而如果每個任務(wù)都采用此種結(jié)構(gòu),任務(wù)一開始,就關(guān)閉中斷,將使實時性得不到保證。事實證明,這種延時是相當可觀的。用一個實例來說明,如果想在系統(tǒng)中使用一個動態(tài)刷新的LED顯示器,就難以保證顯示的穩(wěn)定與連續(xù),哪怕在系統(tǒng)中是使用一個單獨的定時器來做這一工作(進入臨界區(qū)后,EA=0)。其次,這種結(jié)構(gòu)事實上將占先的任務(wù)調(diào)度轉(zhuǎn)化為非占先的任務(wù)調(diào)度。實際上如果在(3)與(4)之間沒有碰巧發(fā)生中斷并導致一個任務(wù)調(diào)度,那就可以理解為是任務(wù)主動放棄CPU的控制。如果在(3)和(4)之間碰巧產(chǎn)生了一個中斷并導致了一個任務(wù)調(diào)度,只是執(zhí)行了一次多余的任務(wù)調(diào)度而已,而且并不希望在(3)之后發(fā)生2次甚至多次的任務(wù)調(diào)度,相信讀者也有這一愿望。

除此之外,還可以發(fā)現(xiàn)任務(wù)的一個特點：當任務(wù)從(1)重新開始時,局部變量x和y是一個什么值并不在乎,即x和y即使在(3)之后改變了,也已經(jīng)不再重要,不會影響程序的正確性。其實這一特點也是大部分任務(wù),至少是太部分任務(wù)的大部分局部變量的一個共性——如果任務(wù)在整個執(zhí)行過程中,不會(被占先)放棄CPU控制權(quán),則其局部變量大多數(shù)并不需要進行特別的保護,即其作用域只是任務(wù)的當次執(zhí)行,針對上面的代碼,就是臨界保護區(qū)內(nèi)的代碼區(qū)域。