单片机实时多任务操作系统分析

　　[摘要]简要介绍美国Keil公司开发的应用于MCS51系列单片机的实时多任务操作系统RTX51的基本情况和使用方法；分析这个内核的任务管理和内存管理的运行机制及其对硬件的要求，给出其在软件设计中应注意的问题。
　　
　　[关键词]单片机 C51 RTX51
　　
　　 一、概述
　　
　　一般说来，单片机的应用系统中都需要同时执行很多任务，我们可以利用实时操作系统来灵活地安排系统资源。RTX51是美国Keil公司开发的一种小型的面向MCS51系列单片机的实时多任务操作系统，它可以工作于8051单片机以及派生家族中，简化了复杂的软件设计，缩短了项目周期。
　　
　　
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二、RTX51介绍
　　
　　RTX51有2个模式：RTX51完全模式和最小模式。RTX51最小模式版是RTX51完全版的一个子集，可以很容易地运行在8051系统上，而不需要外部RAM（DXATA）。RTX51完全模式有4个任务优先级，可以和中断函数并行处理，各个任务之间通过使用“邮箱”系统来进行信号和消息的传递，可以动态地申请和释放内存；同时，可以强制一个任务停止执行，等待一个中断，或者是其它中断传来的信号量或者消息。
　　（一）RTX51任务
　　RTX51包括2类任务：快速任务和标准任务。快速任务有很快的响应速度，每个快速任务使用8051一个单独的寄存器组，并且有自己的堆栈区域。RTX51支持最大同时有3个快速任务。标准任务需要多一点的时间来进行任务切换，因此使用的内部RAM相对快速任务要少，所有的标准任务共用1个寄存器组和堆栈。当任务切换的时候，当前任务的寄存器状态和堆栈内容转移到外部存储器中。RTX51支持最大16个标准任务。
　　（二）RTX51任务状态
　　（1）运行（RUNNIGN）当前正在运行的任务处于RUNNING状态，同一时间只有1个任务可以运行。（2）就绪（READY）等待运行的任务处于READY状态，在当前运行的任务退出运行状态后，就绪队列中优先级最高的任务进入到运行状态。
　　（3）阻塞（BLOCKED）等待一个事件的任务处于BLOCKED状态，如果事件发生且优先级比正在运行的任务高，此任务进入运行状态；如果优先级比正在运行的任务低，此任务进入READY状态。（4）删除（DELETED）没有开始的任务处于删除状态。
　　（三）RTX51中断处理
　　RTX51完全模式提供2种方法来处理中断：一种是C51的中断函数，另一种是RTX51的中断。它又可以分为快速任务中断和标准任务中断。对于中断函数这种方法，它同时也可以在不使用RTX51的情况下使用，当中断发生的时候，程序就跳到了相应的中断函数，它和正在运行的任务是互相独立的，中断的处理是在RTX51系统之外，和任务切换规则没有关联。对于任务中断的方法，不管使用快速是标准任务来处理中断，如果中断发生，等待中断的任务就从“等待”状态进入到就绪状态，并按照任务切换规则进行切换。
　　（四）任务调度RTX51
　　包含一个事件驱动的任务调度机制，它能够按照任务的优先级进行切换，也就是抢占式多任务系统；另外还有一个可选的时间片轮转切换任务模式，在这种模式下，RTX51使用8051内部定时器T0来产生定时节拍，各任务只在各自分配的定时节拍数（时间片）内执行。当时间片用完后，切换至下一任务运行，因此，各任务是并发执行的。同级别的任务是按照时间片分别占用CPU的。RTX51任务有4个优先级：0、1、2可以分配给标准任务，优先级3是为快速任务保留的。每个任务都可以等待事件的发生，而并不增加系统的负担；任务可以等待消息、信号、中断、超时事件或者它们的组合。
　　（五）任务控制
　　为了能描述和控制任务的运行，RTX51为每个任务定义了称作任务控制块的数据结构，主要包括四项内容：任务的代码入口地址，位于CODE空间，2字节为一个单位。
　　任务所使用堆栈栈底位置，位于IDATA空间，1字节为一个单位。
　　任务的定时节拍计数器，在每一次定时节拍中断后都自减一次。
　　任务状态寄存器，用其各个位来表示任务所处的状态。位于IDATA空间，以2字节为一单位。
　　（六）定时器T0中断服务程序的任务
　　（1）RTX51使用定时器T0作为定时节拍发生器，是任务切换、时间片轮转的依据。
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　　（2）更新各个任务节拍数：将各任务节拍数寄存器减1，如果某任务超时（STATE[taskid].timer=0），并且该任务正在等待超时事件，则将该任务置为“READY”状态，使其返回任务队列。
　　（3）检查自由堆栈空间：若自由堆栈空间范围小于FREESTACK（默认为20字节）时，可以调用宏STACK_ERROR，进行堆栈出错处理。
　　
　　三、RTX51应用中应注意的问题
　　
　　原则讲RTX51可以应用到基于MCS51系列单片机组成的任何系统中。RTX51的优点在于软件开发周期短、效率高；由于RTX51在运行时需要占用CPU的部分硬件资源，如通常占用定时/计数器T0，且对堆栈深度要求较高，因此，在使用时应注意RTX51对硬件配置的要求。
　　（一）RTX51对硬件的要求
　　RTX51分为完全模式和最小模式，对于RTX51完全模式，要求系统要有外部RAM，同时，还应合理分配CPU的硬件资源，留出定时/计数器T0作为系统多任务执行的时间片发生器；对于简单的嵌入式系统，由于通常没有外部RAM，通常选择RTX51最小模式。在最小模式下，定时/计数器T0用户不能使用，而是留给系统作多任务切换的时间片发生器。
　　（二）合理分配任务的时间片数和任务优先级
　　在执行多任务时，由于各个任务处理时，需要的时间不同，任务对实时性要求不同，所以，应合理配置各个任务的时间片数，尽量使任务在规定的时间片内完成，减少任务间的消息传递，确保系统资源的使用效率。在RTX51完全模式下，应注意各个任务的优先级配置；在RTX51最小模式下，各个任务没有优先级规定，各任务只能在时间片定时器的控制下并行执行。
　　
　　四、结论
　　
　　在CAN局域网节点设计过程中，我们成功地将RTX51最小模式应用到系统之中，简化了系统的软件设计，提高了开发效率，缩短了开发周期。
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