多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTX51 Tiny的概念和應(yīng)用問(wèn)題探究

來(lái)源：單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，作者：賈水英 ， 楊建紅 ， 謝宏偉

引言

μVision是德國(guó)Keil公司開(kāi)發(fā)的單片機(jī)IDE軟件，最初主要用于8051系列單片機(jī)，目前也有支持ARM系列單片機(jī)的專用版本MDK-ARM。RTX51是其自帶的運(yùn)行于8051系列單片機(jī)上的小型多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可用來(lái)設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)性要求的多任務(wù)軟件。 RTx51有2個(gè)版本：RTX51 Tiny和RTX51 Full。RTX51 Tiny是RTX51 Full的子集。RTX51 Tiny自身僅占用900字節(jié)左右的程序存儲(chǔ)空間，可以很容易地運(yùn)行在沒(méi)有外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器的8051單片機(jī)系統(tǒng)上。

目前在8051系列單片機(jī)上使用多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，絕大多數(shù)應(yīng)用都選擇了RTX51 Tiny。本文就其在實(shí)際應(yīng)用中的一些概念和具體問(wèn)題進(jìn)行了探討。RTX51Tiny內(nèi)核的版本為1．06，C51編譯器版本為7．50。

1 RTX51 Tiny中有沒(méi)有主程序的問(wèn)題

一般來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言中主程序就是指main（）函數(shù)。參考文獻(xiàn)［3］稱RTX51 Tiny沒(méi)有主程序，其實(shí)這是一種誤解。實(shí)際上RTX51 Tiny的主程序是以匯編代碼的形式位于Rtx51tny．A51文件中，在程序的最后：

在通常的應(yīng)用中，一般都是將RTX51 Tiny內(nèi)核做成lib文件，使用的時(shí)候直接調(diào)用相應(yīng)的系統(tǒng)函數(shù)即可，在應(yīng)用程序中沒(méi)有體現(xiàn)，用戶也無(wú)需關(guān)心。這造成了一部分用戶的誤解，以為RTX51沒(méi)有main（）函數(shù)。

另外，參考文獻(xiàn)［4］提到，使用RTX51 Timy時(shí)用戶程序中不需要包含main（）函數(shù)，它會(huì)自動(dòng)從任務(wù)0開(kāi)始運(yùn)行；如果用戶程序中包含main（）函數(shù)，則需要利用os_cre- ate_task（）函數(shù)來(lái)啟動(dòng)RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這段話前一部分是正確的，前文也對(duì)此做了解釋。但后一部分則值得商榷。在RTX51操作系統(tǒng)中，是存在main（）函數(shù)的，只不過(guò)存在于庫(kù)文件RTX51tny．lib之中，用戶的應(yīng)用程序中不能再包含main（）函數(shù)。任務(wù)0為應(yīng)用程序的入口，所有其他任務(wù)都在任務(wù)0中創(chuàng)建。

2 存儲(chǔ)空間占用

RTX51tiny操作系統(tǒng)小巧精悍，能極大地提高程序的可讀性及可維護(hù)性，但也占用了一定的存儲(chǔ)空間。這是一種以空間換取性能的辦法。由于 RTX51操作系統(tǒng)占用了存儲(chǔ)空間，如果不外擴(kuò)存儲(chǔ)器，則至少需要8052系列以上的單片機(jī)。在Keil自帶的幫助文件GS51．PDF中，對(duì)比做了詳細(xì)的介紹。其中有關(guān)存儲(chǔ)空間方面的信息是：RAM需求為7字節(jié)DATA，外加每個(gè)任務(wù)占用3字節(jié)IDATA空間；代碼量（即ROM）約900字節(jié)。

3 關(guān)于使用os_wait（）函數(shù)定時(shí)的問(wèn)題

RTX51 Tiny內(nèi)核中，TIMESHARING的默認(rèn)值為5，以外部時(shí)鐘振蕩器頻率為12 MHz計(jì)算，任務(wù)輪轉(zhuǎn)時(shí)間為50 ms。如果想定時(shí)1個(gè)30 ms的時(shí)間間隔，在任務(wù)比較重時(shí)，使用os_wait（K_TMO，3，0）將得不到準(zhǔn)確的結(jié)果。因?yàn)閯e的任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間已經(jīng)占據(jù)了1個(gè)任務(wù)的輪轉(zhuǎn)時(shí)間 50 ms，超出了20 ms。如果任務(wù)比較多，同時(shí)任務(wù)的負(fù)擔(dān)都比較重，相應(yīng)的誤差時(shí)間會(huì)更大。

RTX51 Tiny使用os_wait（）函數(shù)作定時(shí)，只有當(dāng)系統(tǒng)任務(wù)較輕時(shí)，使用os_wait（K_IVL，count，0）和 os_wait（K_TMO，count，0）才能達(dá)到一致的效果；而在任務(wù)較重時(shí)，使用這2個(gè)函數(shù)所得到的結(jié)果會(huì)有很大差別。參考文獻(xiàn)［5］對(duì)此做了詳細(xì)介紹，此處只作簡(jiǎn)單補(bǔ)充。

事實(shí)上，用戶程序的運(yùn)行是陣發(fā)性的，在一段時(shí)間內(nèi)任務(wù)會(huì)比較繁忙，而在另一段時(shí)間可能會(huì)處于空閑狀態(tài)。如果使用 os_wait（K_TMO，count，0）函數(shù)進(jìn)行定時(shí)，則在不同的時(shí)間段會(huì)得到不同的結(jié)果。所以，要實(shí)現(xiàn)較為精確和穩(wěn)定的定時(shí)，最好還是使用 os_wait（K_IVL，count，O）函數(shù)，而不是os_wait（K_TMO，count，O）。除非延時(shí)時(shí)間很長(zhǎng)，如超過(guò)了所有任務(wù)的輪轉(zhuǎn)時(shí)間總和，os_wait（K_IVL，count，O）和os_wait（K_TM0，count，O）的延時(shí)效果才會(huì)相同。

4 INT_CLOCK的設(shè)置與延時(shí)計(jì)算

RTX5 Tiny中與延時(shí)相關(guān)的2個(gè)參數(shù)為INT_CLOCK和TIMESHARING。先來(lái)看Rtx5ltny．A51源程序中的一段：

從上面的程序段可以看出，RTX51 Tiny內(nèi)核使用Timer0作為硬件定時(shí)器，Timer0工作在方式1（16位計(jì)數(shù)方式）。因此，如果想增加定時(shí)器溢出時(shí)間，可以修改INl_CLOCK的定義。但不能無(wú)限制地增大，最大只能到216一1，即65 535。如果單片機(jī)采用12 MHz的晶振，則每次定時(shí)器溢出的最長(zhǎng)時(shí)間為65．535ms。如果INT_CLOCK的定義值超過(guò)了這個(gè)數(shù)據(jù)，并不能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。例如，把 INT_CLOCK定義為100 000（Oxl86AOH），那么實(shí)際上INT_CLOCK為34 464（Ox86AOH）。本來(lái)是想定時(shí)100 ms，實(shí)際上得到的卻是34．4 ms。因此，在設(shè)置具體延時(shí)時(shí)間時(shí)必須仔細(xì)計(jì)算。

系統(tǒng)的任務(wù)輪轉(zhuǎn)時(shí)間等于每次定時(shí)器溢出時(shí)間與TIMESHARING的乘積。因此，要將系統(tǒng)的任務(wù)輪轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)置為特殊的時(shí)長(zhǎng)，可以通過(guò)INT_CLOCK與TIME-SHARING兩個(gè)參數(shù)的不同組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。不過(guò)在一般的應(yīng)用當(dāng)中，都是采用其系統(tǒng)的默認(rèn)值，無(wú)須修改。

5 修改內(nèi)核配置的基本過(guò)程

RTX51TNY．A51為RTX51 Tiny的核心程序，包括所有的函數(shù)定義，不需要改動(dòng)。通常改動(dòng)的是配置程序CONF_TNY．A51，主要內(nèi)容如下。

INT_REGBANK EQU 1：定時(shí)器中斷時(shí)使用的寄存器組默認(rèn)值是寄存器組1，一般無(wú)需改動(dòng)。

INT_CLOCK EQU 10000：硬件定時(shí)器零TimerO的溢出時(shí)間，即1個(gè)滴答（tick）的時(shí)間長(zhǎng)度。默認(rèn)值是10 000個(gè)機(jī)器周期。對(duì)于傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)來(lái)說(shuō)，1個(gè)機(jī)器周期為12個(gè)時(shí)鐘周期。如果采用12 MHz的晶振，那么每個(gè)機(jī)器周期將為lμs，1個(gè)滴答的時(shí)長(zhǎng)為10 ms。

TIMESHARING EQU5：定義時(shí)間片輪轉(zhuǎn)（round-robin timeout）時(shí)間，默認(rèn)值為5個(gè)滴答（1個(gè)滴答為Tim—erO的1次溢出）。如果INT_CLOCK為10 000，時(shí)鐘頻率為12 MHz，則1個(gè)時(shí)間片的輪轉(zhuǎn)時(shí)間為50 ms，即每個(gè)任務(wù)每次最大可獲得的執(zhí)行時(shí)間為50 ms。如果TIME-SHARING定義為O，則禁止時(shí)間片輪轉(zhuǎn)。

RAMTOP EQU 0FFH：定義CPU堆?？墒褂玫淖罡逺AM地址，默認(rèn)值為地址OFFH（256-1）。FREE_STACK EQU 20：配置堆棧大小為20字節(jié)，默認(rèn)值為20（經(jīng)常需要改動(dòng)）。用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需要進(jìn)行修改，一般情況下需要配置或修改的內(nèi)容主要有 INT_CLOCK、TIMESHAR-ING、FREE_STACK。

6 其他需要注意的問(wèn)題

①堆棧的大小要設(shè)置得合適，太大浪費(fèi)資源，太小又會(huì)出現(xiàn)堆棧錯(cuò)誤。在系統(tǒng)運(yùn)行中，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)程序總在某一處死循環(huán)，而從邏輯上卻常常分析不出問(wèn)題之所在，很有可能是堆棧溢出。在conf_tny．a(chǎn)51中有個(gè)非常重要的宏STACK_ERROR，其源程序如下：

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，程序會(huì)在此處死循環(huán)。

（Conf_tny．a(chǎn)51）FREE_STACK EQU 20：配置堆棧大小為20字節(jié)，默認(rèn)值為20。選擇合適的堆棧大小，即設(shè)置合適的FREE_STACK值，可達(dá)到最佳效果。

②同堆棧一樣，輪轉(zhuǎn)時(shí)間片的長(zhǎng)度也不宜設(shè)置得過(guò)大或過(guò)小。設(shè)置得過(guò)大，則一些持續(xù)時(shí)間較短的事件無(wú)法響應(yīng)。如果輪轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)置得過(guò)小，則CPU的很大一部分功能被消耗在任務(wù)切換上了；如果任務(wù)多，處理時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)疑會(huì)無(wú)形中增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。需要根據(jù)具體的需要權(quán)衡。

結(jié)語(yǔ)

本文從具體的內(nèi)核分析出發(fā)，對(duì)使用RTX51 Tiny操作系統(tǒng)時(shí)的一些概念和應(yīng)用中的問(wèn)題進(jìn)行了闡述和澄清，使大家對(duì)RTX5l Tiny有更為清晰的認(rèn)識(shí)。RTX51 Tiny微操作系統(tǒng)的使用，可以使用戶把更多的精力關(guān)注在應(yīng)用本身而無(wú)需考慮復(fù)雜的底層驅(qū)動(dòng)。而且整個(gè)應(yīng)用軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，維護(hù)方便，可節(jié)省大量的時(shí)間和人力。當(dāng)程序比較復(fù)雜時(shí)，它的優(yōu)點(diǎn)就體現(xiàn)得更明顯。然而，由于硬件資源及其自身的限制，對(duì)于功能復(fù)雜、要求較高的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，就顯得有些吃力了，用戶需要自己編寫(xiě)功能擴(kuò)展程序。無(wú)論如何，它仍然是8位單片機(jī)應(yīng)用中操作系統(tǒng)的首選。

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