基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0.引言

Small RTOS 對(duì)RAM 需求小，非常適合單片機(jī)這類資源比較少的系統(tǒng)上。RTOS 具有多任務(wù)處理，較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，可裁減的內(nèi)核，使得實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、擴(kuò)展和維護(hù)變得更容易。RTOS 思想的引入，一改傳統(tǒng)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)方法，使其不再是單一線程結(jié)構(gòu)方式，通過(guò)應(yīng)用程序分割為若干獨(dú)立的任務(wù)，RTOS 使得應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過(guò)程大為簡(jiǎn)化。本文結(jié)合基于單片機(jī)的電子存包柜的軟件設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要分析了Small RTOS 的設(shè)計(jì)思想及消息隊(duì)列通信機(jī)制的應(yīng)用。

1. Small RTOS51 的基本原理

Small RTOS51是一個(gè)很小的內(nèi)核，完全集成在KEIL C51編譯器中，僅占用較少的程序存儲(chǔ)空間，可以在沒(méi)有外掛數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的51單片機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行。內(nèi)核負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化和開(kāi)放、調(diào)度其它任務(wù)，根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，合理地在不同任務(wù)之間分配CPU 的時(shí)間，內(nèi)核一般都能提供任務(wù)調(diào)度和中斷服務(wù)等功能。把一道程序和一個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)，把任務(wù)中的每個(gè)分開(kāi)的、獨(dú)立執(zhí)行的部分稱之為線程。所有的事件驅(qū)動(dòng)和時(shí)間驅(qū)動(dòng)都體現(xiàn)在設(shè)置相應(yīng)的任務(wù)標(biāo)識(shí)和線程標(biāo)識(shí)。當(dāng)硬件環(huán)境一定時(shí)，依據(jù)這些標(biāo)識(shí)，通過(guò)安排系統(tǒng)內(nèi)中斷響應(yīng)方式和調(diào)整任務(wù)調(diào)度算法，采用設(shè)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(shè)置入口中的某一個(gè)去執(zhí)行，有效地解決了前臺(tái)和后臺(tái)任務(wù)線程的靈活切換這一關(guān)鍵問(wèn)題。Small RTOS 51 的用戶任務(wù)具有運(yùn)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(jié)省內(nèi)存，OS 不能動(dòng)態(tài)的建立和刪除任務(wù)，用函數(shù)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?cè)O(shè)為就緒狀態(tài)，開(kāi)始運(yùn)行優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)。只有當(dāng)所有的優(yōu)先級(jí)高于它的任務(wù)轉(zhuǎn)為等待時(shí)。就緒的任務(wù)才能進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。調(diào)度程序?qū)?ldquo;任務(wù)就緒表”中的最高優(yōu)先級(jí)別的任務(wù)作為下個(gè)要執(zhí)行的任務(wù)。

任務(wù)調(diào)用 os_wait 函數(shù)，掛起當(dāng)前任務(wù)，等待一個(gè)或幾個(gè)間隔(K_IVL)、超時(shí)(K_TMO)、信號(hào)(K_SIG)事件。如果所等待的事件已經(jīng)發(fā)生，繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù);如果所等待的事件沒(méi)有發(fā)生，則置相應(yīng)的等待標(biāo)志后，掛起該任務(wù)，轉(zhuǎn)任務(wù)切換程序段切換到下一任務(wù)。

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

1.1 任務(wù)之間的通訊

任務(wù)之間的通訊采用消息隊(duì)列，經(jīng)過(guò)3步：創(chuàng)建消息隊(duì)列OSQCreate()，向消息隊(duì)列發(fā)消息OSQPost()，取消息OSQPend()。調(diào)用OSQPost ( )函數(shù)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(zhuǎn)向等待該消息的任務(wù)，如果消息隊(duì)列已滿，則無(wú)法傳遞該消息，返回一個(gè)錯(cuò)誤信息。如消息隊(duì)列未滿，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(dāng)隊(duì)列滿時(shí)，該函數(shù)并不掛起當(dāng)前任務(wù)，因此調(diào)用該函數(shù)的任務(wù)應(yīng)當(dāng)判斷返回條件，如果消息滿，則應(yīng)掛起當(dāng)前任務(wù)。接收消息時(shí)，如果消息隊(duì)列空，則取消息的任務(wù)將掛起，直到該消息隊(duì)列中有消息時(shí)才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。

2. 應(yīng)用實(shí)例

2.1 硬件平臺(tái)

以應(yīng)用在大型超市、書店的電子式存包柜為例，系統(tǒng)框圖如下

該電子存包柜可以控制的最大貨物存儲(chǔ)箱數(shù)為 32 個(gè)，分左右各16 個(gè)箱子，上圖只畫出16 路控制?？刂菩酒捎?strong>AT89C55 單片機(jī)，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(jī)組成，設(shè)計(jì)為三塊PCB 板。

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

2 門控制板由三部分組成，第一部分箱內(nèi)物品檢測(cè)，包含16 路紅外線檢測(cè)輸入、16 路紅外發(fā)射控制驅(qū)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(jī)構(gòu)成16 個(gè)箱子的開(kāi)門控制。第三部分箱門狀態(tài)檢測(cè)，檢測(cè)16 個(gè)箱門的開(kāi)/關(guān)。

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

2.1 軟件設(shè)計(jì)

電子存包柜主要包括按鍵處理、顯示處理、通訊處理等模塊，由中斷處理?xiàng)l碼讀入和串口通訊。因此，可以把任務(wù)分為按鍵顯示、接收數(shù)據(jù)、命令處理、發(fā)送數(shù)據(jù)等4 個(gè)任務(wù)。

以主控單片機(jī)1 接收用戶按存包輸入密碼、鍵值處理、密碼顯示及箱子狀態(tài)顯示、發(fā)送開(kāi)箱命令為例，說(shuō)明主體設(shè)計(jì)思想。

主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化以后，調(diào)用函數(shù)OSStart()設(shè)置多任務(wù)環(huán)境，為每一個(gè)任務(wù)建立任務(wù)堆棧，順序建立了4 個(gè)任務(wù)，等待相應(yīng)任務(wù)的喚醒。用戶只需把自己想要實(shí)現(xiàn)的功能定義為任務(wù)，在cONfig.h 中聲明任務(wù)函數(shù)名和它的優(yōu)先級(jí)，并且編寫好自己的代碼段就可以了，完全沒(méi)有了傳統(tǒng)編程下的那種上下調(diào)用的關(guān)系，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行代碼。Small RTOS51 的移植主要是要配置OS_CPU.H、OS_CFG.H 和CONFIG.H 三個(gè)文件，其中OS_CFG.H 文件主要用于對(duì)操作系統(tǒng)的裁減和時(shí)鐘等的相關(guān)配置。

在 CONFIG.H 文件中定義4 個(gè)任務(wù)

#ifndef …..

…………

#endif

限于篇幅，向單片機(jī)2、3 的發(fā)送及接收單片機(jī)2 數(shù)據(jù)的程序略

4.結(jié)論

采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)使得編程效率更高、維護(hù)及修改也更方便，所以目前得到廣泛應(yīng)用，尤其是在嵌入系統(tǒng)中。在低端的51 單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，利用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的思想，采用Small RTOS 多任務(wù)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)及改進(jìn)，同樣也有現(xiàn)實(shí)意義。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：將Small RTOS 多任務(wù)的思想應(yīng)用在一個(gè)具體的單片機(jī)控制的電子式存包柜系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，介紹了基于消息隊(duì)列的任務(wù)通訊的編程方法。