51單片機操作系統開(kāi)發(fā)中的問(wèn)題與技巧

引 言

51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機，在我國的應用非常廣泛。目前，在軟件設計中需要軟件工程師從底層做起，在系統軟件設計方面需要做大量的重復性勞動(dòng)。如果開(kāi)發(fā)一套基于51系列單片機的操作系統，那么用戶(hù)只需要編寫(xiě)各個(gè)任務(wù)的程序，不必同時(shí)將所有任務(wù)運行的各種情況記在心中，不但大大減少了程序編寫(xiě)的工作量，而且減少了出錯的可能性。

1 開(kāi)發(fā)平臺的選擇和論證

開(kāi)發(fā)平臺的選擇至關(guān)重要，因為有時(shí)它不光影響進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量、可維護性等一般問(wèn)題，還涉及到方案的可實(shí)現性。

在本系統中，選擇51系列單片機作為操作系統的運行平臺有以下原因。

首先，51系列單片機應用非常廣泛，一大批性能優(yōu)越的51兼容單片機相繼推出。這里包括：低功耗、高速度和增強型的Philips公司的系列產(chǎn)品；完美地將Flash(非易失閃存技術(shù))EEPROM與80C51內核結合起來(lái)的Atmel公司的系列產(chǎn)品；在抗干擾性能，電磁兼容和通信控制總線(xiàn)功能上獨樹(shù)一幟，其產(chǎn)品常用于工作環(huán)境惡劣場(chǎng)合的Siemens公司的系列產(chǎn)品以及一些其它公司的產(chǎn)品。既然產(chǎn)品如此豐富，性能如此優(yōu)越，那么在處理多任務(wù)并且對實(shí)時(shí)性要求嚴格的系統設計中，為了充分挖掘單片機的潛能(尤其是在實(shí)時(shí)性方面)，也是為了簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)的過(guò)程，基于51系列單片機的實(shí)時(shí)操作系統的需求就十分強烈了。Keil公司的RTX51 Full就是一個(gè)基于51系列單片機的有實(shí)用價(jià)值的實(shí)時(shí)操作系統，但該操作系統是一個(gè)源碼不公開(kāi)的收費軟件。

其次，借助于Keil C51的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，完全可以開(kāi)發(fā)出適用于51系列單片機的操作系統代碼。

Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的Windows界面集成開(kāi)發(fā)調試工具。

另外重要的一點(diǎn)， Keil C51生成的目標代碼效率非常高，多數語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)，更能體現高級語(yǔ)言的優(yōu)勢。C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼，而且用C語(yǔ)言可以打開(kāi)和關(guān)閉中斷。

2 開(kāi)發(fā)51單片機操作系統應注意的問(wèn)題

(1)操作系統軟件的代碼不能太長(cháng)

因為51系列單片機的系統硬件資源相對匱乏，如果操作系統的代碼比應用程序的代碼還大,甚至使得用戶(hù)的應用程序要考慮給操作系統讓出資源，這樣的操作系統即使功能再完善，也不實(shí)用?，F在流行的嵌入式操作系統就不能應用于51系列單片機，原因是代碼太大。開(kāi)發(fā)一個(gè)5000行的基于裸機的應用程序也就是占用 7~8KB ROM空間，一個(gè)操作系統用掉了幾十KB，占空間不算，實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢恐怕也沒(méi)了(執行這么多的指令要時(shí)間)。所以，μCOS的作者也不支持將他的代碼移植到51系列單片機上，這也就不奇怪了。

(2)操作系統不能占用太多的片內RAM空間

51系列單片機只有128個(gè)或者256個(gè)字節的片內RAM空間，稍微不注意就用完了。如果操作系統把片內的RAM使用得所剩無(wú)幾，那用戶(hù)的應用程序用什么? 如果說(shuō)用戶(hù)的程序可以把變量定義在片外RAM中的話(huà)，那么系統的硬件堆棧放在哪? 眾所周知，51系列單片機的硬件堆棧不能放在片外，所以要在51系列單片機上開(kāi)發(fā)操作系統的話(huà)就要少用它的片內RAM。但是不用片內RAM是辦不到的，因為操作系統也要傳遞參數，也要使用堆棧。C51單片機的C函數傳遞參數是通過(guò)寄存器和存儲器的,不能通過(guò)堆棧。但是可以通過(guò)一些措施使得操作系統代碼少用片內RAM。

(3)解決好函數的重入問(wèn)題

開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)占先式的操作系統，可重入函數是非用不可的?？芍厝牒瘮悼梢员灰粋€(gè)以上的任務(wù)調用，而不必擔心數據被破壞?？芍厝牒瘮等魏螘r(shí)候都可以被中斷，一段時(shí)間后又可以運行，而應用數據不會(huì )丟失。使得函數具有可重入性必須使得函數能夠滿(mǎn)足下列三個(gè)條件之一：
① 不使用共享資源；
② 在使用共享資源時(shí)關(guān)中斷，使用完畢后再開(kāi)中斷；
③ 在使用共享資源時(shí)申請信號量，使用完后釋放信號量。

這些條件在標準C中編程很容易實(shí)現，但是在Keil C51中就比較麻煩。因為標準C是把局部變量分配到用戶(hù)堆棧中(動(dòng)態(tài)分配)，而Keil C51將局部變量分配到寄存器或內存固定地址(靜態(tài)分配)，并通過(guò)變量覆蓋分析的方法，使多個(gè)函數的局部變量使用相同的內存地址以減少內存占用。在 Keil C51中，如果局部變量分配在寄存器中還好些，如果局部變量分配在內存中就比較麻煩。

(4)堆棧的分配問(wèn)題

占先式操作系統的主要任務(wù)就是進(jìn)行任務(wù)的調度，通過(guò)對任務(wù)的實(shí)時(shí)調度來(lái)完成系統的功能。任務(wù)調度過(guò)程中，不可避免的發(fā)生任務(wù)對系統資源的搶占問(wèn)題，因為系統中 CPU只有一個(gè)，而每個(gè)任務(wù)都認為自己是CPU的絕對占用者，每一個(gè)任務(wù)都是一個(gè)死循環(huán)。任務(wù)間進(jìn)行切換的依據就是各自的優(yōu)先級，一個(gè)高優(yōu)先級的任務(wù)可以通過(guò)任務(wù)調度函數或者中斷退出函數等來(lái)中止正在運行的任務(wù)。被中斷的任務(wù)只有自己的優(yōu)先級在當前就緒任務(wù)表中最高時(shí)，才能從被中斷處繼續運行。這就需要為每個(gè)任務(wù)分配任務(wù)堆棧，來(lái)保存任務(wù)的環(huán)境變量。由于每個(gè)任務(wù)在不同時(shí)刻被中斷時(shí)需要保存的環(huán)境變量數目不同，所以任務(wù)堆?？臻g的分配問(wèn)題也是一門(mén)學(xué)問(wèn)。

3 一些解決問(wèn)題的技巧

(1)片內RAM占用問(wèn)題的解決

任務(wù)堆棧最好不要放在片內，如果把任務(wù)堆棧放在片內的話(huà)，用戶(hù)應用程序可使用的資源就非常有限，應用程序的功能也會(huì )受到限制。這就是為什么某些把任務(wù)堆棧放在片內的基于51系列單片機的實(shí)時(shí)操作系統只能用來(lái)做些演示實(shí)驗，但并不實(shí)用。一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的基于51系列單片機的實(shí)時(shí)操作系統必須在512字節以上的RAM環(huán)境中運行。隨著(zhù)集成技術(shù)的發(fā)展，現在已經(jīng)出現了很多帶有輔助RAM的51系列單片機，這類(lèi)單片機把片外的RAM集成到芯片內，使用MOVX指令來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這些RAM。如果用戶(hù)不想通過(guò)三總線(xiàn)來(lái)擴展片外RAM的話(huà)，可以選用這種帶有輔助RAM的單片機。此外，因為操作系統要用到一些全局變量，鑒于處理的速度問(wèn)題又不想把它們全部的放在片外，那就可以根據這些全局變量應用的頻繁程度來(lái)決定把哪些移到片外，哪些留在片內。別小看這幾個(gè)字節的節約，在51 系列單片機上效果會(huì )很明顯。筆者認為在這種資源相對匱乏的單片機上，開(kāi)發(fā)操作系統的最高境界應該是開(kāi)發(fā)一個(gè)綠色的操作系統，用戶(hù)在應用操作系統時(shí)可以用的系統資源應該和基于裸機編程差不多。