基于實(shí)時(shí)操作系統的單片機應用系統設計

0.引言

Small RTOS 對RAM 需求小，非常適合單片機這類(lèi)資源比較少的系統上。RTOS 具有多任務(wù)處理，較強的實(shí)時(shí)性，可裁減的內核，使得實(shí)時(shí)應用程序的設計、擴展和維護變得更容易。RTOS 思想的引入，一改傳統單片機軟件設計方法，使其不再是單一線(xiàn)程結構方式，通過(guò)應用程序分割為若干獨立的任務(wù)，RTOS 使得應用程序的設計過(guò)程大為簡(jiǎn)化。本文結合基于單片機的電子存包柜的軟件設計，簡(jiǎn)要分析了Small RTOS 的設計思想及消息隊列通信機制的應用。

1. Small RTOS51 的基本原理

Small RTOS51是一個(gè)很小的內核，完全集成在KEIL C51編譯器中，僅占用較少的程序存儲空間，可以在沒(méi)有外掛數據存儲器的51單片機系統中運行。內核負責系統的初始化和開(kāi)放、調度其它任務(wù)，根據各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU 的時(shí)間，內核一般都能提供任務(wù)調度和中斷服務(wù)等功能。把一道程序和一個(gè)任務(wù)對應，把任務(wù)中的每個(gè)分開(kāi)的、獨立執行的部分稱(chēng)之為線(xiàn)程。所有的事件驅動(dòng)和時(shí)間驅動(dòng)都體現在設置相應的任務(wù)標識和線(xiàn)程標識。當硬件環(huán)境一定時(shí)，依據這些標識，通過(guò)安排系統內中斷響應方式和調整任務(wù)調度算法，采用設置環(huán)境變量的方法，使中斷退出后可以任意返回到多個(gè)設置入口中的某一個(gè)去執行，有效地解決了前臺和后臺任務(wù)線(xiàn)程的靈活切換這一關(guān)鍵問(wèn)題。Small RTOS 51 的用戶(hù)任務(wù)具有運行態(tài)、就緒態(tài)、等待和掛起、中斷服務(wù)程序。任何一個(gè)時(shí)刻，任務(wù)的狀態(tài)就是這四種狀態(tài)之一。為了節省內存，OS 不能動(dòng)態(tài)的建立和刪除任務(wù)，用函數OSSTART()啟動(dòng)多任務(wù)環(huán)境后，OS 就把所有的任務(wù)建立起來(lái)，并把它們設為就緒狀態(tài)，開(kāi)始運行優(yōu)先級最高的任務(wù)。只有當所有的優(yōu)先級高于它的任務(wù)轉為等待時(shí)。就緒的任務(wù)才能進(jìn)入運行狀態(tài)。調度程序將“任務(wù)就緒表”中的最高優(yōu)先級別的任務(wù)作為下個(gè)要執行的任務(wù)。

任務(wù)調用 os_wait 函數，掛起當前任務(wù)，等待一個(gè)或幾個(gè)間隔(K_IVL)、超時(shí)(K_TMO)、信號(K_SIG)事件。如果所等待的事件已經(jīng)發(fā)生，繼續執行當前任務(wù);如果所等待的事件沒(méi)有發(fā)生，則置相應的等待標志后，掛起該任務(wù)，轉任務(wù)切換程序段切換到下一任務(wù)。

Small RTOS51 通過(guò)執行函數init ( )來(lái)給寄存器賦初值，調用函數OSSTart ( ) 來(lái)初始化每一個(gè)任務(wù)的堆棧并執行第一個(gè)任務(wù)，而選擇第一個(gè)任務(wù)執行的理由是該任務(wù)的優(yōu)先級別。在選擇過(guò)程中就完成了任務(wù)的調度。

1.1 任務(wù)之間的通訊

任務(wù)之間的通訊采用消息隊列，經(jīng)過(guò)3步：創(chuàng )建消息隊列OSQCreate()，向消息隊列發(fā)消息OSQPost()，取消息OSQPend()。調用OSQPost ( )函數發(fā)送消息時(shí)，如果已經(jīng)有任務(wù)在等待該消息，則立即轉向等待該消息的任務(wù)，如果消息隊列已滿(mǎn)，則無(wú)法傳遞該消息，返回一個(gè)錯誤信息。如消息隊列未滿(mǎn)，同時(shí)也沒(méi)有其他任務(wù)等待該消息，則入列。值得注意的是，當隊列滿(mǎn)時(shí)，該函數并不掛起當前任務(wù)，因此調用該函數的任務(wù)應當判斷返回條件，如果消息滿(mǎn)，則應掛起當前任務(wù)。接收消息時(shí)，如果消息隊列空，則取消息的任務(wù)將掛起，直到該消息隊列中有消息時(shí)才會(huì )繼續執行。

2. 應用實(shí)例

2.1 硬件平臺

以應用在大型超市、書(shū)店的電子式存包柜為例，系統框圖如下

該電子存包柜可以控制的最大貨物存儲箱數為 32 個(gè)，分左右各16 個(gè)箱子，上圖只畫(huà)出16 路控制?？刂菩酒捎肁T89C55 單片機，配有實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、條碼讀入器、液晶顯示模塊、熱敏打印機組成，設計為三塊PCB 板。

1 主控板，進(jìn)行用戶(hù)的存包和取包人機交互，保存存包密碼，顯示用戶(hù)取*程中的密碼輸入以及全部32 個(gè)存包箱的狀態(tài)。

2 門(mén)控制板由三部分組成，第一部分箱內物品檢測，包含16 路紅外線(xiàn)檢測輸入、16 路紅外發(fā)射控制驅動(dòng)。第二部分16 路繼電器控制，開(kāi)箱控制由16 個(gè)小直流電機構成16 個(gè)箱子的開(kāi)門(mén)控制。第三部分箱門(mén)狀態(tài)檢測，檢測16 個(gè)箱門(mén)的開(kāi)/關(guān)。

3 存取包的條碼打印、語(yǔ)音提示，整個(gè)系統由 4 個(gè)單片機配合工作，主控單片機管理存包用戶(hù)的操作并記錄其歷史參數，然后向從單片機發(fā)出指令，分配空箱并打印輸出存包條，給用戶(hù)。