如何构造一个51单片机的实时操作系统

从Keil C51的内存空间管理方式入手,着重讨论实时操作系统在任务调度时的重入问题,分析一些解决重入的基本方式与方法：分析实时操作系统任务调度的占先性,提出非占先的任务调度是能更适合于Keil C51的一种调度方式。为此,构造这一实时操作系统,并有针对性地介绍此系统的堆管理方法、任务的建立以厦任务的切换等。

目前,大多数的产品开发是在基于一些小容量的单片机上进行的。51系列单片机,是我国目前使用最多的单片机系列之一,有非常广大的应用环境与前景,多年来的资源积累,使51系列单片机仍是许多开发者的首选。针对这种情况,近几年涌现出许多基于51内核的扩展芯片,功能越来越齐全,速度越来越快,也从一个侧面说明了51系列单片机在国内的生命力。

多年来我们一直想找一个合适的实时操作系统,作为自己的开发基础。根据开发需求,整合一些常用的嵌入式构件,以节约开发时间,尽最大可能地减少开发工作量;另外,要求这个实时操作系统能非常容易地嵌入到小容量的芯片中。毕竟,大系统是少数的,而小应用是多数而广泛的。显而易见,μC/OS—II是不太适合于以上要求的,而Keil C所带的RTX Tiny不带源代码,不具透明性,至于其FULL版本就更不用说了。

1 KeiI C51与重入问题

说到实时操作系统,就不能不考虑重入问题。对于PC机这样的大内存处理器而言,这似乎并不是一个很麻烦的问题,借用μC/OS—II RTOS的说法,即要求在重入的函数内,使用局部变量。但5l系列单片机堆栈空间很小,仅局限在256字节之内,无法为每个函数都分配一个局部堆空间。正是由于这个原因,Keil C51使用了所谓的可覆盖技术：

①局部变量存储在全局RAM空间(不考虑扩展外部存储器的情况);

②在编译链接时,即已经完成局部变量的定位;

③如果各函数之间没有直接或间接的调用关系,则其局部变量空间便可覆盖。

正是由于以上的原因,在Keil C51环境下,纯粹的函数如果不加处理(如增加一个模拟栈),是无法重人的。那么在Keil C5l环境下,如何使其函数具有可重人性呢?下面分析在实时操作系统下面,任务的基本结构与模式：

vold TaskA(void*ptr){
UINT8 vaL_a;
／／其他一些变量定义
do{
／／实际的用户任务处理代码
}while(1);
}
void TaskB(void*ptr){
UINT8 vaLb;
／／其他一些变量定义
do{
Funcl();
／／其他实际的用户任务处理代码
)while(1);
void Funcl(){
UlNT8 v al_fa;
／／其他变量的定义
／／函数的处理代码
}

在上面的代码中,TaskA与TaskB并不存在直接或间接的调用关系,因而其局部变量val_a与val_b便是可以被互相覆盖的,即其可能都被定位于某一个相同的RAM空间。这样,当TaskA运行一段时间,改变了val_a后,TaskB取得CPU控制权并运行时,便可能会改变val_b。由于其指向相同的RAM空间,导致TaskA重新取得CPU控制权时,val—a的值已经改变,从而导致程序运行不正确,反过来亦然。另一方面,Funcl()与TaskB有直接的调用关系,因而其局部变量val_fa与val_b不会被互相覆盖,但也不能保证其局部变量val_fa不会与TaskA或其他任务的局部变量形成可覆盖关系。

将val_a、val_b以及val_fa等局部变量定义为静态变量(加上static指示符)可以解决这一问题。但问题是,定义大量的static类型变量,将导致RAM空间的大量占用,有可能直接导致RAM空间不够用。尤其是在一些小容量的单片机内,一般只有128或256字节,大量的静态变量定义,在如此小的RAM资源状况下显然就不太合适了。由此而有了另一种的解决方法,如下代码所示：

void TaskC(void){
UINT8 x,v;
whlk(1){
OS_ENTER_CRITICAL();
x=GetX(); (1)
y=GetY(); (2)
／／任务的其他代码
OS_EXIT_CRITICAL(); (3)
0SSleep(100); (4)
}
}

以上代码TaskC中使用了临界保护的方法来保护代码不被中断占先,确实有效地解决了RAM空间太小,不宜大量定义静态变量的问题。然而如果每个任务都采用此种结构,任务一开始,就关闭中断,将使实时性得不到保证。事实证明,这种延时是相当可观的。用一个实例来说明,如果想在系统中使用一个动态刷新的LED显示器,就难以保证显示的稳定与连续,哪怕在系统中是使用一个单独的定时器来做这一工作(进入临界区后,EA=0)。其次,这种结构事实上将占先的任务调度转化为非占先的任务调度。实际上如果在(3)与(4)之间没有碰巧发生中断并导致一个任务调度,那就可以理解为是任务主动放弃CPU的控制。如果在(3)和(4)之间碰巧产生了一个中断并导致了一个任务调度,只是执行了一次多余的任务调度而已,而且并不希望在(3)之后发生2次甚至多次的任务调度,相信读者也有这一愿望。

除此之外,还可以发现任务的一个特点：当任务从(1)重新开始时,局部变量x和y是一个什么值并不在乎,即x和y即使在(3)之后改变了,也已经不再重要,不会影响程序的正确性。其实这一特点也是大部分任务,至少是太部分任务的大部分局部变量的一个共性——如果任务在整个执行过程中,不会(被占先)放弃CPU控制权,则其局部变量大多数并不需要进行特别的保护,即其作用域只是任务的当次执行,针对上面的代码,就是临界保护区内的代码区域。