基于RTX51的單片機軟件設計
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摘要：隨著單片機應用的日益廣泛，對它的軟件開發效率要求越來越高，從匯編到C語言，然后過渡到了操作系統。MCS51作為單片機世界的長生不衰的主力軍，應用于其上的RTX51得到了很大的發展，它硬件要求低，使用方便、靈活、因此越來越廣泛地應用到單片機的軟件開發之中。
關鍵詞：單片機 C51 RTX51
1 概述
很多單片機的應用中都需要同時執行很多任務，對于這樣的應用，我們可以利用實時操作系統來靈活地安排系統資源。RTX51是美國Keil公司開發的一種小型的應用于MCS51系列單片機的實時多任務操作系統，它可以工作所有8051單片機以及派生家族中，簡化了復雜的軟件設計，縮短了項目周期。我們實踐中用RTX51來開發單片機軟件。設計單片機控制的GPS接收板軟件，取得了很好的效果。
2 RTX51介紹
RTX51有2個模式：RTX51完全模式和最小模式。RTX51最小模式版是RTX51完全版的一個子集，可以很容易地運行在8051系統上，而不需要外部RAM（DXATA）。RTX51完全模式有4個任務優先級，可以和中斷函數并行處理，各個任務之間通過使用“郵箱”系統來進行信號和消息的傳遞，可以從內存池中申請和釋放內存；同時，可以強制一個任務停止執行，等待一個中斷，或者是其它中斷傳來的信號量或者消息。RTX51對系統硬件的要求如表1所列。
2.1 RTX51任務
RTX51區分2類任務：快速任務和標準任務。快速任務有很快的響應速度，每個快速任務使用8051一個單獨的寄存器組，并且有自己的堆棧區域。RTX51支持最大同時有3個快速任務。標準任務需要多一點的時間來進行任務切換，因此使用的內部RAM相對快速任務要少，所有的標準任務共用1個寄存器組和堆棧。當任務切換的時候，當前任務的寄存器狀態和堆棧內容轉移到外部存儲器中。RTX51支持最大16個標準任務。
RTX51任務狀態：
①運行（RUNNIGN）——當前正在運行的任務處于RUNNING狀態，同一時間只有1個任務可以運行。
②就緒（READY）——等待運行的任務處于READY狀態，在當前運行的任務退出運行狀態后，就緒隊列中優先級最高的任務進入到運行狀態。
③阻塞（BLOCKED）——等待一個事件的任務處于BLOCKED狀態，如果事件發生且優先級比正在運行的任務高，此任務進入運行狀態；如果優先級比正在運行的任務低，此任務進入READY狀態。
④刪除（DELETED）——沒有開始的任務處于刪除狀態。
⑤任務切換——RTX51包含一個事件驅動的任務切換機制，它能夠按照任務的優先級進行切換，也就是搶占式多任務系統；另外還有一個可選的時間片輪轉切換任務模式，在時間片輪轉模式下，同級別的任務是按照時間片分別占用CPU的。RTX51任務有4個優先級：0、1、2可以分配給標準任務，優先級3是為快速任務保留的。每個任務都可以等待事件的發生，而并不增加系統的負擔；任務可以等待消息、信號、中斷、超時事件或者它們的組合。任務切換是按照一定規則進行的，包括：進入到“就緒”狀態的優先級高的任務先執行；如果“就緒”狀態的幾個任務是同一個優先級，那么最先進入“就緒”狀態的先執行。
RTX51任務切換圖如圖1所示。
2.2 RTX51事件
◇超時（timeout）：掛起運行的任務指定數量的時間周期。
◇間隔（interval）：類似于超時，但是軟件定時器沒有復位，典型應用是產生時鐘。
◇信號（signal）：用于任務內部同步協調。
◇消息（message）：適用于RTX51 Full，用于信息的交換。我們可以把一個消息交送到一個特定的郵箱。消息由2字節組成，可以是用戶按照自己的需求定主的數據，也可以是指向數據的指針。如果郵箱的消息列表滿，而且是中斷發送消息，這個消息將會丟失；如果是任務發送消息，那么任務將會進入到等待狀態，直到郵箱重新有了位置可以接收這一條消息。郵箱是按照FIFO的原則來管理消息的，如果幾個任務都在等待接收消息，那么最先進入等待接收隊列的將接收消息。一個郵箱最多可以存儲8條消息。當郵箱滿的時候，最多只能有16個等待任務。
◇中斷（interrup）：適用于RTX51 Full，信號量用于管理共享的系統資源。通過使用“令牌”，允許在同一時刻只有一個任務使用某些資源。如果幾個任務申請訪問同一個資源，那么首先提出申請的將允許訪問，其它的任務進入等待隊列，直到第1個任務操作完畢，下一個任務才能繼續。
Os_wait()函數掛起一個任務來等待一個事件的發生。這樣可以同步2個或幾個任務。它的工作過程如下：當任務等待的事件沒有發生的時候，系統掛起這個任務；當事件發生時，系統根據任務切換規則切換任務。
2.3 RTX51中斷處理
RTX51完全模式提供2種方法來處理中斷：一種是C51的中斷函數，另一種是RTX51的斷。它又可以分為快速任務中斷和標準任務中斷。對于中斷函數這種方法，它同時也可以在不使用RTX51的情況下使用，當中斷發生的時候，程序就跳到了相應的中斷函數，它和正在運行的任務是互相獨立的，中斷的處理是在RTX51系統之外，和任務切換規則沒有關聯。對于任務中斷的方法，不管使用快速是標準任務來處理中斷，如果中斷發生，等待中斷的任務就從“等待”狀態進入到就緒狀態，并按照任務切換規則進行切換。這種中斷處理是完全集成在RTX51的內部，硬件中斷事件的處理和信號、信息的處理是完全相同的。在系統響應中斷使能寄存器，這樣才能遵守任務的切換規則并保證中斷程序的無誤進行。必須注意中斷使能寄存器是由RTX51完全控制的，禁止用戶手動的修改。
3 應用實例
以下給出RTX51在單片機控制的GPS接收板上的應用。
（1）系統硬件組成
單片機W77E58，快速8051內核、32KB ROM、1KB的XDATA RAM，符合使用RTX51的硬件要求；鍵盤、GPS定位模塊、液晶顯示模塊。
（2）系統軟件構成
軟件運行環境KEIL uVision2 6.20集成開發環境加上RTX51完成版。任務KEY-BOARD，監測鍵盤的情況，如果有按鍵按下，把按鍵的編碼發更新到郵箱1，外部中斷1等待接收GPS數據，并把數據存儲起來，向DISPLAY任務發出信號。任務DISPLAY根據接收到的不同的信號和消息，進行處理。任務SEND-OUT，把接收到的數據進行處理，并發送出去。任務VOICE進行語音輸出。
系統硬件、軟件結構如圖2所示。
下面給出簡寫的源程序：
#include<RTX51.h> //包含RTX51頭文件
#define DISPLAY 0
#define SEND_OUT1
#define KEY_BOARD2
#define VOICE3
void main(void)
{ init system(); //系統初始化
os start system(DISPLAY); //啟動RTX51
}
void task0(void)_task_DISPLAY
{ os_set_slice(1000); //設置時間片大小
os_enable_isr(0); //允許外部中斷0
os_creat_task(SEND_OUT); //啟動SEND_OUT任務
os_creat_task(VOICE)； //啟動VOICE任務
for(;;){
switch(os_wait(K_SIG+K_MBX+1,255,&keyboard))//等待接收信號和鍵盤消息，分類處理
{display1();break;
case EVENT_MBOX;//當從郵箱接收到數據的時候switch(keyboard)
{ case '1';
…
os_send_signal(SEND_OUT); //向任務SEND_OUT發送信號
…
os_send_signal(VOICE);} //向任務VOICE發送信號
…；}
…;}
}
void task1(void)_task_SEND_OUT //處理發送數據任務
{while(1)
{ os_wait(K_SIG,255,0) //等待信號
operation_send();
}
void task3(void)_task_VOICE
{while(1){
os_wait_signal(K_SIG,255,0); //等待語音處理信號
voice();}
}
void interrupt(void)interrupt 2 using 1
{ read_gps_data(p_gps_data); //接收數據
isr_send_signal(DISPLAY); //向DISPLAY任務發信號
}
#pragma REGISTERBANK(2) //使用寄存器組2
void task2(void)_task_KEYBOARSD_priority_3//設置為快速任務
{ os_attach_interrupt(0); //綁定任務和外部中斷0
while(1){
os_wait(K_INT,255,0); //等待中斷的發生
KEY=iic_read_keyboard();
os_send_message(1,KEY,0);}//將鍵盤編碼發送到郵箱1
}
4 結論
通過實踐我們可以發現，使用RTX51開發單片機程序更加方便了。尤其是較大的程序，避免了自己寫消息循環等繁瑣工作，效率明顯增加了。在硬件資源足夠的情況下，效果更加明顯。
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