1 概述
RTX51 TINY是一種應(yīng)用于MCS5l系列單片機的小型多任務(wù)實時操作系統(tǒng)。它完全集成在Keil C5l編譯器中，具有運行速度快、對硬件要求不高、使用方便靈活等優(yōu)點，因此越來越廣泛地應(yīng)用到單片機的軟件開發(fā)中。它可以在單個CPU上管理幾個作業(yè)（任務(wù)），同時可以在沒有擴展外部存儲器的單片機系統(tǒng)上運行。
RTX51 TINY允許同時“準(zhǔn)并行”地執(zhí)行多個任務(wù)：各個任務(wù)并非持續(xù)運行，而是在預(yù)先設(shè)定的時間片(time slice)內(nèi)執(zhí)行。CPU執(zhí)行時間被劃分為若干時間片，RTX51 TINY為每個任務(wù)分配一個時間片，在一個時間片內(nèi)允許執(zhí)行某個任務(wù)，然后RTX51 TINY切換到另一個就緒的任務(wù)并允許它在其規(guī)定的時間片內(nèi)執(zhí)行。由于各個時間片非常短，通常只有幾ms，因此各個任務(wù)看起來似乎就是被同時執(zhí)行了。
RTX51 TINY利用單片機內(nèi)部定時器0的中斷功能實現(xiàn)定時，用周期性定時中斷驅(qū)動RTX51 TINY的時鐘。它最多可以定義16個任務(wù)，所有的任務(wù)可以同時被激活，允許循環(huán)任務(wù)切換，僅支持非搶占式的任務(wù)切換，操作系統(tǒng)為每一個任務(wù)分配一個獨立的堆棧區(qū)，在任務(wù)切換的同時改變堆棧的指針，并保存和恢復(fù)寄存器的值。RTX51 TINY沒有專門的時間服務(wù)函數(shù)和任務(wù)掛起函數(shù)，而是通過os_wait()中的參數(shù)設(shè)定實現(xiàn)的。使用RTX51 TINY時用戶程序中不需要包含main()函數(shù)，它會自動地從任務(wù)0開始運行。如果用戶程序中包含有main()函數(shù)，則需要利用 os_create_task函數(shù)來啟動RTX51實時操作系統(tǒng)。
2 任務(wù)切換
2.1 RTX51 TINY任務(wù)狀態(tài)
RTX51 TINY的用戶任務(wù)具有以下幾個狀態(tài)：
① 運行(RUNNING)——任務(wù)正處于運行中。同一時刻只有一個任務(wù)可以處于“RUNNING”狀態(tài)。
② 就緒(READY)——等待運行的任務(wù)處于“READY”狀態(tài)。在當(dāng)前運行的任務(wù)退出運行狀態(tài)后，就緒隊列中的任務(wù)根據(jù)調(diào)度策略被調(diào)度執(zhí)行，進入到運行狀態(tài)。
③ 阻塞(BLOCKED)——等待一個事件的任務(wù)處于“BLOCKED”狀態(tài)。如果等待的事件發(fā)生，則此任務(wù)進入“READY”狀態(tài)，等待被調(diào)度。
④ 休眠(SLEEPING)——被聲明過但沒有開始運行的任務(wù)處于休眠狀態(tài)。運行過但已經(jīng)被刪除的任務(wù)也處在休眠狀態(tài)中。
⑤ 超時(TIMEOUT)——任務(wù)由于時間片用完而處于“TIMEOUT”狀態(tài)，并等待再次運行。該狀態(tài)與“READY”狀態(tài)相似，但由于是內(nèi)部操作過程使一個循環(huán)任務(wù)被切換，因而單獨算作一個狀態(tài)。
處于“READY/TIMEOUT”、“RUNNING”和“BLOCKED”狀態(tài)的任務(wù)被認為是激活的狀態(tài)，三者之間可以進行切換。“SLEEPING”狀態(tài)的任務(wù)是非激活的，不能被執(zhí)行或認為已經(jīng)終止。
2.2 RTX51 TINY任務(wù)切換
任務(wù)切換是RTX51 TINY提供的基本服務(wù)。RTX51 TINY是基于時間片調(diào)度算法的操作系統(tǒng)，它支持的是非搶占式的任務(wù)切換。所以在一個任務(wù)被執(zhí)行時不能對其進行中斷，除非該任務(wù)主動放棄CPU的資源，中斷才可以打斷當(dāng)前的任務(wù)，中斷完成后把CPU的控制權(quán)再交還該被中斷的任務(wù)。任務(wù)切換有兩種情況，一種是當(dāng)前任務(wù)主動讓出CPU資源；另一種情況是在當(dāng)前任務(wù)的時間片已經(jīng)用完的情況下，進行任務(wù)切換。CPU執(zhí)行時間被分成若干個時間片，RTX51 TINY為每個任務(wù)分配一個時間片。時間片是通過對變量TIMESHARING的設(shè)置來確定的，即用“TIMESHARING EQU 5;”設(shè)置多少個系統(tǒng)時鐘周期為一個時間片。系統(tǒng)默認5個系統(tǒng)時鐘為一個時間片，如果晶振頻率為11.059 2 MHz，則時間片為10.850 7×5＝54.253 5 ms。
RTX51 TINY的任務(wù)切換共有TASKSWITCHING 和SWITCHINGNOW兩個入口，前者供定時器T0的中斷服務(wù)程序調(diào)用，后者供系統(tǒng)函數(shù)os_delete和os_wait調(diào)用。相應(yīng)地也有兩個不同的出口，分別是恢復(fù)保護現(xiàn)場和清除狀態(tài)標(biāo)志位。系統(tǒng)首先將當(dāng)前任務(wù)置為“TIMEOUT”狀態(tài)，等待下一次時間片循環(huán)，然后找到下一個處于“READY” 狀態(tài)的任務(wù)，通過堆棧管理，將自由堆?？臻g分配給該任務(wù)，使其成為當(dāng)前任務(wù)。清除使該任務(wù)進入“READY”或“TIMEOUT”狀態(tài)的相關(guān)位后，執(zhí)行該任務(wù)。任務(wù)切換的流程如圖1所示。
圖1 任務(wù)切換流程
3 共享資源實現(xiàn)[1]
RTX51 TINY由于是一個多任務(wù)的操作系統(tǒng)，那么就不免會有幾個任務(wù)使用同一個資源，這些資源可能是一個變量，也可能是輸入/輸出設(shè)備。這就要求一個任務(wù)在使用共享資源時必須獨占該資源，否則可能會造成數(shù)據(jù)被破壞。
在RTX51 TINY中實現(xiàn)共享資源獨占的方法比較多。比如，可以通過TIMESHARING這個變量來禁止時間片輪轉(zhuǎn)，使其值為0，就可以實現(xiàn)禁止任務(wù)切換，從而當(dāng)前任務(wù)就可以獨占共享資源。還可以關(guān)閉中斷來實現(xiàn)，使EA＝0，定時器T0的中斷被關(guān)閉，不能再為時間片輪轉(zhuǎn)提供基準(zhǔn)，從而禁止了任務(wù)切換。但這兩種方法都帶有一定的局限性，前一種方法只能適用于實時性要求不高的場合，后一種方法由于T0中斷關(guān)閉時間不能太長，只能適用于一些簡單變量操作的場合?；谝陨锨闆r，下面通過另一種方法來實現(xiàn)共享資源的使用。
在RTX51 full中可以利用信號量很好地實現(xiàn)對共享資源的操作，也可以把這種思想應(yīng)用到RTX51 TINY中；而在RTX51 TINY中不支持信號量，這就要求用戶自己定義信號量及其操作過程。以下是部分代碼：
struct signal {//定義信號量結(jié)構(gòu)體
uchar count；//該信號量的當(dāng)前計數(shù)值
uint list_tasks；//等待該信號量任務(wù)表
} signal_list[3]；
/*初始化信號量 */
void init_signal(uchar task_id,uchar count) {
signal_list[task_id].count=count；
signal_list[task_id].list_tasks=0；
}
/*等待信號量 */
char wait_signal(uchar task_id) {
if(signal_list[task_id].count>0) {
signal_list[task_id].count；//獲取信號量
return(-1)；
}
signal_list[task_id].list_tasks|=(1?os_running_task_id())；//標(biāo)記為等待狀態(tài)
return(0)；
}
void wait_sem(uchar task_id) {
if(wait_signal(task_id==0)
while(os_wait(K_TMO，255，0)!=RDY_EVENT)；//等待，直到該任務(wù)就緒
}
/*釋放信號量 */
char release_signal(uchar task_id) {
uchar i：
uint temp=1；
if((signal_list[task_id].count>0)||( signal_list[task_id].list_tasks==0)) {
signal_list[task_id].count++； //釋放信號量
return(-1)；
}
for(i=0；i<16；i++) {
if((signal_list[task_id].list_tasks&(temp))!=0){//查找任務(wù)表
signal_list[task_id].list_tasks&= ~(1<<i)；return(i)； //返回等待信號量的任務(wù)號
}
temp<<=1：
}
}
void release_sem(uchar task_id) {
char task_temp；
task_temp=release_signal(task_id)；
if(task_temp!=-1) {
os_set_ready(task_temp)； //任務(wù)task_id進入就緒狀態(tài)
os_switch_task()；
}
}
有了以上幾個函數(shù)的定義和實現(xiàn)，就可以應(yīng)用等待信號量和釋放信號量來完成對共享資源的獨占。例如：
void job()_task_ id {
――――用戶代碼――――
wait_sem(task_id)；//等待任務(wù)task_id的信號量
――――對共享資源使用代碼――――
release_sem(task_id)；//釋放任務(wù)task_id的信號量
――――用戶代碼――――
}
應(yīng)用信號量來實現(xiàn)共享資源的使用，不用禁止時間片輪轉(zhuǎn)和關(guān)閉T0中斷，可以有效地實現(xiàn)對共享資源的獨占；但增加了代碼，等待和釋放信號量花費了一定的時間，在具體應(yīng)用中要視情況而定。
4 需要注意的問題
在應(yīng)用RTX51 TINY時應(yīng)注意以下幾點：
① 盡可能不使用循環(huán)任務(wù)切換。使用循環(huán)任務(wù)切換時要求有13個字節(jié)的堆棧區(qū)來保存任務(wù)內(nèi)容(工作寄存器等)。如果由os_wait()函數(shù)來進行任務(wù)觸發(fā)，則不需要保存任務(wù)內(nèi)容。由于正處于等待運行的任務(wù)并不需要等待全部循環(huán)切換時間結(jié)束，因此os_wait()函數(shù)可以產(chǎn)生一種改進的系統(tǒng)響應(yīng)時間。
② 不要將時鐘節(jié)拍中斷速率設(shè)置得太高，設(shè)定為一個較低的數(shù)值可以增加每秒的時鐘節(jié)拍個數(shù)。每次時鐘節(jié)拍中斷大約需要100~200個CPU周期，因此應(yīng)將時鐘節(jié)拍率設(shè)定得足夠高，以便使中斷響應(yīng)時間達到最小化。
③ 在os_wait()函數(shù)中有3個參數(shù)： K_TMO、K_IVL和K_SIG。其中對于K_TMO和K_IVL的使用要加以區(qū)別。在使用時，兩者似乎差別不是很大。其實不然,兩者存在很大的區(qū)別：K_TMO是指等待一個超時信號，只有時間到了，才會產(chǎn)生一個信號。它產(chǎn)生的信號是不會累計的，產(chǎn)生信號后，任務(wù)進入就緒狀態(tài)。而K_IVL是指周期信號，每隔一個指定的周期，就會產(chǎn)生一次信號，產(chǎn)生的信號是可以累計的。這樣就使得在指定事件內(nèi)沒有響應(yīng)的信號，通過信號次數(shù)的疊加，在以后信號處理時，重新得以響應(yīng)，從而保證了信號不會被丟失。而通過K_TMO方式進行延時的任務(wù)，由于某種原因信號沒有得到及時的響應(yīng)，那么這樣就可能會丟失一部分沒有響應(yīng)的信號。不過兩者都是有效的任務(wù)切換方式，在使用時要根據(jù)應(yīng)用場合來確定對兩者的使用。
結(jié)語
RTX51 TINY實時操作系統(tǒng)既能保證對外界的信息以足夠快的速度進行相應(yīng)處理，又能并行運行多個任務(wù)，具有實時性和并行性的特點，因此能很好地完成對多個信息的實時測量、處理，并進行相應(yīng)的多個實時控制。任務(wù)切換是RTX51 TINY的一個基本服務(wù)。本文對任務(wù)切換做了詳細的分析，在實際應(yīng)用中還要對任務(wù)切換時的堆棧管理有一定了解，這樣才能更好地掌握任務(wù)切換的機制。共享資源的使用在多任務(wù)操作系統(tǒng)中是不可避免的，RTX51 TINY中沒有專門的處理共享資源函數(shù)，所以在實際應(yīng)用中要視情況來應(yīng)用文中提到的幾種方法。
參考文獻
[1] 朱珍民,隋雪青,段斌. 嵌入式實時操作系統(tǒng)及其應(yīng)用開發(fā)[M]. 北京： 北京郵電大學(xué)出版社，2006：44-49.
[2] Keil Software Inc．RTX51 Tiny User’s Guide，2004.
[3] 徐愛鈞，彭秀華. 單片機高級語言C51 Windows環(huán)境編程與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2001．
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