基于RTX51的单片机软件设计

随着单片机应用的日益广泛，对它的软件开发效率要求越来越高，从汇编到C语言，然后过渡到了操作系统。MCS51作为单片机世界的长生不衰的主力军，应用于其上的RTX51得到了很大的发展，它硬件要求低，使用方便、灵活、因此越来越广泛地应用到单片机的软件开发之中。
   关键词：单片机 C51 RTX51
1 概述
很多单片机的应用中都需要同时执行很多任务，对于这样的应用，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应用于MCS51系列单片机的实时多任务操作系统，它可以工作所有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。我们实践中用RTX51来开发单片机软件。设计单片机控制的GPS接收板软件，取得了很好的效果。
2 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，可以从内存池中申请和释放内存；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。RTX51对系统硬件的要求如表1所列。
2.1 RTX51任务
RTX51区分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。
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。
⑤任务切换——RTX51包含一个事件驱动的任务切换机制，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，在时间片轮转模式下，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。任务切换是按照一定规则进行的，包括：进入到“就绪”状态的优先级高的任务先执行；如果“就绪”状态的几个任务是同一个优先级，那么最先进入“就绪”状态的先执行。
RTX51任务切换图如图1所示。

2.2 RTX51事件
◇超时（timeout）：挂起运行的任务指定数量的时间周期。
◇间隔（interval）：类似于超时，但是软件定时器没有复位，典型应用是产生时钟。
◇信号（signal）：用于任务内部同步协调。
◇消息（message）：适用于RTX51 Full，用于信息的交换。我们可以把一个消息交送到一个特定的邮箱。消息由2字节组成，可以是用户按照自己的需求定主的数据，也可以是指向数据的指针。如果邮箱的消息列表满，而且是中断发送消息，这个消息将会丢失；如果是任务发送消息，那么任务将会进入到等待状态，直到邮箱重新有了位置可以接收这一条消息。邮箱是按照FIFO的原则来管理消息的，如果几个任务都在等待接收消息，那么最先进入等待接收队列的将接收消息。一个邮箱最多可以存储8条消息。当邮箱满的时候，最多只能有16个等待任务。
◇中断（interrup）：适用于RTX51 Full，信号量用于管理共享的系统资源。通过使用“令牌”，允许在同一时刻只有一个任务使用某些资源。如果几个任务申请访问同一个资源，那么首先提出申请的将允许访问，其它的任务进入等待队列，直到第1个任务操作完毕，下一个任务才能继续。
Os_wait()函数挂起一个任务来等待一个事件的发生。这样可以同步2个或几个任务。它的工作过程如下：当任务等待的事件没有发生的时候，系统挂起这个任务；当事件发生时，系统根据任务切换规则切换任务。
2.3 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。这种中断处理是完全集成在RTX51的内部，硬件中断事件的处理和信号、信息的处理是完全相同的。在系统响应中断使能寄存器，这样才能遵守任务的切换规则并保证中断程序的无误进行。必须注意中断使能寄存器是由RTX51完全控制的，禁止用户手动的修改。

3 应用实例
以下给出RTX51在单片机控制的GPS接收板上的应用。
（1）系统硬件组成
单片机W77E58，快速8051内核、32KB ROM、1KB的XDATA RAM，符合使用RTX51的硬件要求；键盘、GPS定位模块、液晶显示模块。
（2）系统软件构成
软件运行环境KEIL uVision2 6.20集成开发环境加上RTX51完成版。任务KEY-BOARD，监测键盘的情况，如果有按键按下，把按键的编码发更新到邮箱1，外部中断1等待接收GPS数据，并把数据存储起来，向DISPLAY任务发出信号。任务DISPLAY根据接收到的不同的信号和消息，进行处理。任务SEND-OUT，把接收到的数据进行处理，并发送出去。任务VOICE进行语音输出。
系统硬件、软件结构如图2所示。
下面给出简写的源程序：
#include<RTX51.h> //包含RTX51头文件

#define DISPLAY 0
#define SEND_OUT1
#define KEY_BOARD2
#define VOICE3
void main(void)
{
       init system(); //系统初始化
       os_start_system(DISPLAY); //启动RTX51
}
void task0(void)_task_DISPLAY
{
       os_set_slice(1000); //设置时间片大小
       os_enable_isr(0); //允许外部中断0
       os_creat_task(SEND_OUT); //启动SEND_OUT任务
       os_creat_task(VOICE)； //启动VOICE任务
       for(;;){
              switch(os_wait(K_SIG+K_MBX+1,255,&keyboard))//等待接收信号和键盘消息，分类处理
              {
                     display1();
                     break;
              }
              case EVENT_MBOX;//当从邮箱接收到数据的时候switch(keyboard)
              {
              case ‘1‘;
               …
               os_send_signal(SEND_OUT); //向任务SEND_OUT发送信号
               …
               os_send_signal(VOICE);} //向任务VOICE发送信号
               …；
              }
       …;}
}
void task1(void)_task_SEND_OUT //处理发送数据任务
{
       while(1)
       {
              os_wait(K_SIG,255,0) //等待信号
              operation_send();
       }
}
void task3(void)_task_VOICE
{
       while(1){
              os_wait_signal(K_SIG,255,0); //等待语音处理信号
              voice();
       }
}
void interrupt(void)interrupt 2 using 1
{
       read_gps_data(p_gps_data); //接收数据
       isr_send_signal(DISPLAY); //向DISPLAY任务发信号
}
#pragma REGISTERBANK(2) //使用寄存器组2

void task2(void)_task_KEYBOARSD_priority_3//设置为快速任务
{
       os_attach_interrupt(0); //绑定任务和外部中断0
       while(1){
              os_wait(K_INT,255,0); //等待中断的发生
              KEY=iic_read_keyboard();
              os_send_message(1,KEY,0);//将键盘编码发送到邮箱1
       }
}
4 结论
通过实践我们可以发现，使用RTX51开发单片机程序更加方便了。尤其是较大的程序，避免了自己写消息循环等繁琐工作，效率明显增加了。在硬件资源足够的情况下，效果更加明显。