《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于RTX51實時操作系統(tǒng)的用戶專用鍵盤軟件設(shè)計
現(xiàn)代電子技術(shù)
王傳申,,奚冠巍,,何 源
摘要: 隨著單片機(jī)應(yīng)用的擴(kuò)展,,原有的編程思想難以滿足復(fù)雜多任務(wù)系統(tǒng)的要求,,為此將操作系統(tǒng)引入單片機(jī)軟件設(shè)計。文章在用戶專用鍵盤軟件開發(fā)中引入PTX51實時操作系統(tǒng),,介紹了整個系統(tǒng)的任務(wù)分配,分析了各個任務(wù)的運行機(jī)制,并給出流程圖及主要程序代碼,。通過采用RTX51實時操作系統(tǒng),不僅提高了軟件開發(fā)效率,,而且控制方案更加科學(xué)合理,。
Abstract:
Key words :
</a>RTX51" title="RTX51">RTX51" title="RTX51">RTX51實時操作系統(tǒng)進(jìn)行單片機(jī)軟件設(shè)計,可以真正做到各任務(wù)并行執(zhí)行,,同時,,由于程序結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理,可以方便地實現(xiàn)修改升級,,以滿足功能較多的設(shè)計要求,。

1 用戶專用鍵盤簡介
    用戶專用鍵盤多使用在工業(yè)控制場合,它由按鍵和指示燈組成,,對外采用RS232接口,,當(dāng)某個按鍵按下時,鍵盤將命令(碼值)發(fā)送計算機(jī),,同時,,鍵盤接收來自計算機(jī)的命令(碼值)點亮(熄滅)某個指示燈,,以指示系統(tǒng)工作狀態(tài),從而實現(xiàn)快速人機(jī)交互,。用戶專用鍵盤硬件原理框圖如圖1所示,。

a.JPG


    圖中,可編程邏輯芯片實現(xiàn)單片機(jī)輸出接口擴(kuò)展,,其內(nèi)部包含多個輸出鎖存器,。工作時,單片機(jī)輸出的地址信號經(jīng)可編程芯片內(nèi)部譯碼器譯碼產(chǎn)生片選信號,,使能不同的輸出鎖存器,,將數(shù)據(jù)信號輸出控制各個指示燈的亮/滅。

2 RTX51實時操作系統(tǒng)介紹
    RTX51是德國Keil公司開發(fā)的一種應(yīng)用于MCS51系列單片機(jī)的實時多任務(wù)操作系統(tǒng),,它有兩個版本,,RTX51 Full和RTX51 Tiny,本文采用RTX51 Tiny進(jìn)行軟件設(shè)計,。RTX51 Tiny是一個很小的內(nèi)核,,完全集成在Keil C51編譯器中,它可以很容易地運行在沒有擴(kuò)展外部存儲器的單片機(jī)系統(tǒng)上,,并且僅占用800字節(jié)左右的程序存儲空間,。
    RTX51 Tiny允許最大16個任務(wù)循環(huán)切換,在實現(xiàn)上,,它采用時間片輪轉(zhuǎn)算法,,系統(tǒng)每次調(diào)度時,把CPU分配給一個就緒的任務(wù),,并令其執(zhí)行一個時間片,,構(gòu)成微觀上輪流運行、宏觀上并行執(zhí)行的多任務(wù)效果,。RTX51 Tiny支持任務(wù)間的信號傳遞,,還能并行地利用中斷功能。
RTX51 Tiny的用戶任務(wù)主要具有以下幾個狀態(tài):
·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),。
·準(zhǔn)備好(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(jìn)入到運行狀態(tài)。
·等待(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(jìn)入“READY”狀態(tài),等待被調(diào)度。
RTX51 Tiny內(nèi)核用以下事件進(jìn)行任務(wù)問的通信和同步:
·超時(TIMEOUT):由OS-wait函數(shù)調(diào)用引發(fā)的時間延時,,持續(xù)時間可由定時節(jié)拍數(shù)確定,。帶有TIMEOUT值調(diào)用OS-it函數(shù)的任務(wù)將被掛起,直到延時結(jié)束,,才返回到“READY”,。
·間隔(INTERVAL):由OS-wait函數(shù)調(diào)用引發(fā)的時間間隔,其間隔時間可由定時節(jié)拍數(shù)確定,。帶有INTERVAL值調(diào)用wait函數(shù)的任務(wù)將被掛起,,直到間隔時間結(jié)束,然后返回到READY狀態(tài),。與TIMEOUT不同的是,,任務(wù)的節(jié)拍計數(shù)器不復(fù)位,典型應(yīng)用是產(chǎn)生時鐘,。
·信號(SIGNAL):系統(tǒng)定義的位變量,,可以由系統(tǒng)函數(shù)置位或清除??梢哉{(diào)用OS-wait函數(shù)暫停一個任務(wù)并等待從另一任務(wù)發(fā)出的信號,,這可以用于協(xié)調(diào)兩個或更多的任務(wù)。如果某個任務(wù)在等待一個信號并且信號標(biāo)志為0,,則在收到這個信號之前,,這個任務(wù)將一直處于掛起狀態(tài)。如果信號標(biāo)志已經(jīng)被置1,,則當(dāng)任務(wù)查詢信號時,,信號標(biāo)志會被清除,任務(wù)將可以被繼續(xù)執(zhí)行,。

3 用戶專用鍵盤軟件設(shè)計
3.1 任務(wù)分配
   根據(jù)前面對用戶專用鍵盤功能的描述,,它主要實現(xiàn)以下兩個功能:
(1)按鍵處理;
(2)串口數(shù)據(jù)處理,。
其中功能(1)又可細(xì)分為以下三個任務(wù):
任務(wù)1:按鍵狀態(tài)掃描;
任務(wù)2:按鍵碼值查詢,;
任務(wù)3:串口發(fā)送,;
同樣,功能(2)也可細(xì)分為以下兩個任務(wù):
任務(wù)4:串口接收,;
任務(wù)5:串口數(shù)據(jù)處理,;
以上兩個功能需要并行運行,而內(nèi)部的子任務(wù)之間為前級驅(qū)動后級的關(guān)系,,在程序?qū)嶋H運行過程中,,功能二(2)的任意子任務(wù)可能與功能(1)的任務(wù)1或任務(wù)2或任務(wù)3處于同時并行運行狀態(tài),鑒于此,需要在程序設(shè)計時創(chuàng)建5個子任務(wù),。
采用時間輪詢的方式?jīng)Q定了某個任務(wù)在執(zhí)行完時間片后,,在下一次執(zhí)行前需要等待固定的時間,這個時間與系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)及每個任務(wù)的執(zhí)行時間密切相關(guān),,為避免數(shù)據(jù)丟失,,串口接收任務(wù)應(yīng)及時讀取接收緩存器中的數(shù)據(jù)。由于中斷處理過程與正在運行的任務(wù)是相互獨立的,,即中斷處理過程在RTX51系統(tǒng)內(nèi)核之外和任務(wù)切換規(guī)則沒有關(guān)聯(lián),,因此可以在串口中斷服務(wù)程序中完成串口接收任務(wù)。另外,,串口發(fā)送時要求將整個按鍵碼值數(shù)據(jù)包一次性發(fā)送完畢,,如果將串口發(fā)送過程在中斷服務(wù)程序中完成,在SBUF緩存器發(fā)送完一個字節(jié)后觸發(fā)串口發(fā)送中斷標(biāo)志,,再次進(jìn)入中斷服務(wù)程序繼續(xù)下一字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送,,則可以方便地實現(xiàn)上述要求。根據(jù)以上分析,,串口接收,、串口發(fā)送兩個子任務(wù)的功能在中斷服務(wù)程序中完成,將系統(tǒng)子任務(wù)的個數(shù)由5個減少為3個,,調(diào)整后的任務(wù)分配如下:
任務(wù)1:按鍵狀態(tài)掃描(TASK SCAN),;
任務(wù)2:按鍵碼值查詢(TASK KEY);
任務(wù)3:串口數(shù)據(jù)處理((TASK LIGHT)),;
中斷服務(wù)程序:串口接收,、發(fā)送。
任務(wù)間信號關(guān)系如圖2所示,。

b.JPG


如圖,,任務(wù)1在檢測到按鍵狀態(tài)變化后向任務(wù)2發(fā)送信號,任務(wù)2隨后由等待狀態(tài)進(jìn)入“準(zhǔn)備好”狀態(tài),,在本任務(wù)的下一個時間片,,任務(wù)2開始進(jìn)行指定位置按鍵的碼值查詢,然后通過串口完成碼值發(fā)送,。
同時,,串口數(shù)據(jù)通過中斷服務(wù)程序接收,串口數(shù)據(jù)接收后即發(fā)送信號給任務(wù)3,,使后者進(jìn)入“準(zhǔn)備好”狀態(tài),,并在下一個時間片到來后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
以上三個任務(wù)中,,任務(wù)l始終處于“運行”或“準(zhǔn)備好”狀態(tài),,任務(wù)2,、任務(wù)3大多數(shù)時間處于“等待”狀態(tài),任務(wù)2,、任務(wù)3分別在接收到按鍵狀態(tài)掃描任務(wù),、中斷服務(wù)程序的信號后被“喚起”。另有任務(wù)0,,負(fù)責(zé)創(chuàng)建任務(wù)1,、2、3,,然后刪除自己,。任務(wù)0簡化程序如下所示:
#define INIT 0/*任務(wù)0:初始化及創(chuàng)建*/
#define SCAN 1/*任務(wù)1:按鍵狀態(tài)掃描*/
#define KEY 2/*任務(wù)2:按鍵碼值查詢*/
#define LIGHT 3/*任務(wù)3:串口數(shù)據(jù)處理*/
Init()_task_INIT{
Serial_init();
Os_create task(SCAN),;
Os_create_task(KEY),;
Os_create_task(LIGHT);
Os_delete-task(INIT),;
}
以下對中斷服務(wù)程序及各個任務(wù)分別予以介紹,。
3.2 中斷服務(wù)程序
用戶專用鍵盤串口接收、發(fā)送中斷服務(wù)程序流程如圖3所示,。

e.JPG


由于中斷可能由發(fā)送控制器或接收控制器引起,,因此在程序中首先要判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷,然后分別進(jìn)行處理,。對于接收的數(shù)據(jù),,程序?qū)⑵浯嫒虢邮站彌_區(qū),然后通知串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)進(jìn)行處理,。
用戶專用鍵盤數(shù)據(jù)的發(fā)送在中斷服務(wù)程序中完成,,上一字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢產(chǎn)生中斷,進(jìn)入中斷服務(wù)程序繼續(xù)完成下一字節(jié)的發(fā)送,,而發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)在按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)中存入,。簡化的中斷服務(wù)程序如下:
f.JPG
3.3 串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)(TASK_LIGHT)
中斷服務(wù)程序只處理串口緩存器SBUF的讀取或?qū)懭耄瑪?shù)據(jù)一旦接收完畢即存入緩沖區(qū),,并在專門的任務(wù)中進(jìn)行處理,。在多任務(wù)系統(tǒng)的用戶專用鍵盤程序中,串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)在創(chuàng)建后即被“掛起”,,此時該任務(wù)處于“等待”狀態(tài),,不占用任何時間片,,只有當(dāng)任務(wù)接收到“喚起”信號后才繼續(xù)執(zhí)行,。本程序中“喚起”信號來自中斷服務(wù)程序,。由于中斷處理過程可以同RTX51任務(wù)互發(fā)信號或交換數(shù)據(jù),,因此,,中斷服務(wù)程序在接收到數(shù)據(jù)后立即發(fā)送信號量給串口數(shù)據(jù)處理任務(wù),,使后者處于“準(zhǔn)備好”狀態(tài),當(dāng)下一時間片來到時,,串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行,,完成數(shù)據(jù)解析及控制指示燈等操作。由于該任務(wù)為循環(huán)操作,,當(dāng)所有接收的數(shù)據(jù)處理完畢后,,任務(wù)再次進(jìn)入“等待”狀態(tài),等待下一次串口數(shù)據(jù)接收后的處理,。圖3中,,斜體部分即為中斷服務(wù)程序發(fā)送信號至串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)的過程。串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)的簡化程序如下:
g.JPG
3.4 按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)(TASK SCAN)
按鍵狀態(tài)掃描為一個循環(huán)執(zhí)行的任務(wù),,程序通過不斷地讀取單片機(jī)IO口的值獲取每個按鍵的當(dāng)前狀態(tài),,然后將當(dāng)前狀態(tài)值與存儲在內(nèi)存中的上一次狀態(tài)值進(jìn)行比較,通過比較結(jié)果判斷該按鍵狀態(tài)是否發(fā)生變化,。為消除按鍵按下時抖動造成的多次狀態(tài)變化,,在掃描到某個按鍵狀態(tài)發(fā)生改變后,延時一段時間后進(jìn)行第二次掃描,,如果兩次掃描結(jié)果相同則認(rèn)為該按鍵狀態(tài)確實發(fā)生改變,,并轉(zhuǎn)入下一步處理。按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)流程如圖4所示,。

h.JPG


下面給出按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)簡化的源程序:
Scan()_task_SCAN{/*按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)*/

While(1){
Key_first_scan(),;/*第1次掃描*/
If(Keychanged=1){
Os_wait(K_TMO,2,,0)/*延時*/
Key_second_scan(),;/*第2次掃描*/
If(first scan=second scan){/*如果兩次掃描的按鍵狀態(tài)一致*/
os_send_signal(2);/*發(fā)送信號至按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)+/
}
}
}
}
程序中,,采用等待超時信號(K_TMO)來實現(xiàn)兩次掃描間的延時,,這樣設(shè)計的好處是,在延時期間,,由于本任務(wù)處于“等待”狀態(tài),,系統(tǒng)可以進(jìn)行任務(wù)切換,使其它任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行,,從而在保證系統(tǒng)功能的前提下,,提高整個系統(tǒng)的工作效率。需要注意的是,,K_TMO是等待產(chǎn)生超時信號,,當(dāng)信號產(chǎn)生后,只是將相應(yīng)的任務(wù)置上“準(zhǔn)備好”標(biāo)志位,,任務(wù)并不是立即就能夠運行,,任務(wù)需要等到其它任務(wù)輪流執(zhí)行,,到自己的時間片后才會執(zhí)行。這樣,,最后的延時效果是延時時間加上正在運行的任務(wù)的執(zhí)行時間,。在用戶專用鍵盤軟件中,同時可能在運行的任務(wù)只有“串口數(shù)據(jù)處理”,。由于該任務(wù)運行時間與K TMO延時時間比較少很多,,因此可以忽略不計,而認(rèn)為兩次掃描間的延時時間就是K_TMO的時間,。假設(shè)同時運行的任務(wù)較多,,并且每個任務(wù)占用的時間較長,則延時時間應(yīng)該取K_TMO加上所有同時運行任務(wù)的執(zhí)行時間之和,,即按鍵按下的時間必須不小于此時間,,才能保證每次按鍵操作都能正確響應(yīng)。
3.5 按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)(TASK KEY)
按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)程序流程如圖5所示,。

j.JPG


由于發(fā)送數(shù)據(jù)在串口中斷服務(wù)程序中完成,,因此,在將數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖區(qū)之前必須確認(rèn)緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)即串口發(fā)送中斷會被再次觸發(fā),,否則只有將數(shù)據(jù)寫入串口發(fā)送緩存器SBUF直接發(fā)送,。
下面給出按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)簡化的源程序:
Encode()_task_KEY{

While(1){
Os_wait(K_SIG,0,0);/*等待鍵碼查詢信號*/
Keygetcode(),;/*獲取鍵碼值*/
If(sendempty=1){/*判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為“空”*/
SBUF=keycode,;/*發(fā)送緩沖區(qū)為”空”,則直接發(fā)送*/
}Else{
Outbuf[i++]=keycode,;/*否則,,將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū),*/
/*待上一數(shù)據(jù)發(fā)送完后自動發(fā)送*/
}
}
}

4 結(jié)論
實踐證明,,在引入RTX51 Tiny實時操作系統(tǒng)后,,軟件開發(fā)周期縮短,程序結(jié)構(gòu)更加清晰,,系統(tǒng)實時性和并行性大大增強,,開發(fā)出的程序具有較高的可維護(hù)性和可移植性。

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