基于Small RTOS51的多任務(wù)串行通信研究

引 言
在簡(jiǎn)單的單片機應用系統中，前／后臺系統被廣泛應用。其中應用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，循環(huán)中調用相應的函數完成相應的操作。這部分可以看作后臺行為，也稱(chēng)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)性很強的操作靠中斷服務(wù)程序來(lái)保證。中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺程序運行到該處理這個(gè)信息時(shí)才能得到處理，最壞情況下，響應時(shí)間等于整個(gè)循環(huán)的執行時(shí)間。隨著(zhù)單片機應用系統的復雜化，前／后臺系統已不能滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性的要求，這就需要一個(gè)嵌入式的實(shí)時(shí)操作系統來(lái)管理和協(xié)調多個(gè)任務(wù)和中斷。
目前在單片機上運行的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統主要有μC／OS、RTX51 Full和RTX51 Tiny。μC／OS是Jean J．Labrosse先生編寫(xiě)的源碼開(kāi)放的實(shí)時(shí)內核，可適用于8／16／32位的單片機、ARM和DSP等微控制器和微處理器，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。但是μC／Os實(shí)時(shí)操作系統規模較大，相對于處理能力有限的單片機來(lái)說(shuō)有些勉強，并且大多需要外擴RAM運行，這給應用系統軟硬件設計都帶來(lái)不便。 RTX51是德國Keil公司開(kāi)發(fā)的一種小型的專(zhuān)門(mén)應用于McS-51系列單片機的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統，它有RTX51 Full和RTX51 Tiny兩個(gè)版本。RTX51 Full無(wú)源碼，自身代碼有6 KB多，運行時(shí)需要大量的外部RAM，不利于學(xué)習和使用；RTX51 Tiny較為簡(jiǎn)單，但是任務(wù)沒(méi)有優(yōu)先級和中斷管理，很多時(shí)候并不實(shí)用。SmallRTOS51是陳明計先生為51系列單片機編寫(xiě)的源碼公開(kāi)的實(shí)時(shí)操作系統，支持任務(wù)優(yōu)先級和中斷管理，RAM需求量小，非常適合在單片機上運行。本文將在簡(jiǎn)要介紹Small RTOS51實(shí)時(shí)操作系統的基礎上，結合具體應用實(shí)例詳細說(shuō)明Small RTOS51環(huán)境下的多任務(wù)串行通信。

1 Small RTOS51簡(jiǎn)介
Small RTOS51嵌入式實(shí)時(shí)操作系統具有以下特點(diǎn)：
①公開(kāi)源代碼，任何人都可以免費獲取。
②可移植、可固化，雖然是為51系列單片機編寫(xiě)，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(hù)任務(wù)以搶占式運行。
④中斷管理，系統支持中斷管理功能，中斷嵌套層數可達255層。
⑤RAM需求量小，Small RTOS51為小RAM系統設計，128個(gè)RAM單元就可以運行。通常單片機不需要外擴RAM就能運行Small RTOS51實(shí)時(shí)操作系統。
下面簡(jiǎn)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)操作系統中，任務(wù)必須是一個(gè)無(wú)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運行，任務(wù)獲得CPU后開(kāi)始執行；
②就緒，任務(wù)只等待系統分配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提供相應中斷服務(wù)，原來(lái)正在運行的任務(wù)暫不能運行，就進(jìn)入了被中斷態(tài)。
系統中任務(wù)狀態(tài)的轉換關(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：信號量和消息隊列。
信號量由兩部分組成：一個(gè)是信號量的計數值，它是一個(gè)8位無(wú)符號的整數；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(fǎng)問(wèn)都必須通過(guò)信號量索引來(lái)實(shí)現。信號量索引是一個(gè)0到OS_MAX_SEMS-1的數值，其中OS_MAX_SEMS為用戶(hù)自定義的最大信號量數目。
消息隊列實(shí)際上是一個(gè)8位無(wú)符號的字節變量數組。向隊列發(fā)送一個(gè)消息，實(shí)質(zhì)上是將O～255之間的一個(gè)數值存儲到消息隊列中；從消息隊列中獲得一個(gè)消息就是獲取一個(gè)O～255之間的數值。

2 多任務(wù)串行通信研究
下面以一個(gè)應用實(shí)例詳細說(shuō)明Small RTOS51環(huán)境下包含多任務(wù)的串行通信，該應用的硬件設計以NXP公司的P89V51RD2單片機為核心，包含了鍵盤(pán)電路、看門(mén)狗電路和顯示電路等幾個(gè)部分。硬件設計簡(jiǎn)圖如圖2所示，主要完成以下功能：從串口接收數據，經(jīng)P89V51RD2單片機處理，并通過(guò)I2C總線(xiàn)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(pán)，檢測到按鍵被按下時(shí)，進(jìn)行相應的處理并生成一串命令數據通過(guò)串口向遠端發(fā)送。