RTX51 Tiny內(nèi)核在實際應(yīng)用中的概念和問題探討

引 言

μVision是德國Keil公司開發(fā)的單片機IDE軟件，最初主要用于8051系列單片機，目前也有支持ARM系列單片機的專用版本MDK-ARM。TX51 TINY是RTX51 FULL的子集，僅支持按時間片循環(huán)任務(wù)調(diào)度，支持任務(wù)間信號傳遞，最大16個任務(wù)，可以并行地利用中斷。具有以下等待操作：超時、另一個任務(wù)或中斷的信號。但它不能進行信息處理，不支持存儲區(qū)的分配和釋放，不支持占先式調(diào)度。RTX51 TINY一個很小的內(nèi)核，完全集成在KEIL C51編譯器中。更重要的是，它僅占用800字節(jié)左右的程序存儲空間，可以在沒有外放數(shù)據(jù)存儲器的8051系統(tǒng)中運行，但應(yīng)用程序仍然可以訪問外部存儲器。RTX51 TINY下文簡稱為內(nèi)核。

目前在8051系列單片機上使用多任務(wù)實時操作系統(tǒng)，絕大多數(shù)應(yīng)用都選擇了RTX51 Tiny。本文就其在實際應(yīng)用中的一些概念和具體問題進行了探討。RTX51Tiny內(nèi)核的版本為1.06，C51編譯器版本為7.50。

1 、RTX51 Tiny中有沒有主程序的問題

一般來說，C語言中主程序就是指main（）函數(shù)。實際上RTX51 Tiny的主程序是以匯編代碼的形式位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)用程序中沒有體現(xiàn)，用戶也無需關(guān)心。這造成了一部分用戶的誤解，以為RTX51沒有main（）函數(shù)。

內(nèi)核完全集成在KEIL C51編譯器中，以系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用的方式運行，因此可以很容易地使用KEIL C51語言編寫和編譯一個多任務(wù)程序，并嵌入到實際應(yīng)用系統(tǒng)中。

另外，使用RTX51 Timy時用戶程序中不需要包含main（）函數(shù)，它會自動從任務(wù)0開始運行；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)來啟動RTX51實時操作系統(tǒng)。這段話前一部分是正確的，前文也對此做了解釋。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，只不過存在于庫文件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性，但也占用了一定的存儲空間。這是一種以空間換取性能的辦法。由于RTX51操作系統(tǒng)占用了存儲空間，如果不外擴存儲器，則至少需要8052系列以上的單片機。在Keil自帶的幫助文件GS51.PDF中，對比做了詳細的介紹。其中有關(guān)存儲空間方面的信息是：RAM需求為7字節(jié)DATA，外加每個任務(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)定時的問題

RTX51 Tiny內(nèi)核中，TIMESHARING的默認(rèn)值為5，以外部時鐘振蕩器頻率為12 MHz計算，任務(wù)輪轉(zhuǎn)時間為50 ms。如果想定時1個30 ms的時間間隔，在任務(wù)比較重時，使用os_wait（K_TMO，3，0）將得不到準(zhǔn)確的結(jié)果。因為別的任務(wù)的執(zhí)行時間已經(jīng)占據(jù)了1個任務(wù)的輪轉(zhuǎn)時間50 ms，超出了20 ms。如果任務(wù)比較多，同時任務(wù)的負擔(dān)都比較重，相應(yīng)的誤差時間會更大。

主要完成os_wait函數(shù)。任務(wù)調(diào)用os_wait函數(shù)，掛起當(dāng)前任務(wù)，等待一個或幾個間隔（K_IVL）、超時（K_TMO）、信號（K_SIG）事件。如果所等待的事件已經(jīng)發(fā)生，繼續(xù)執(zhí)行當(dāng)前任務(wù)；如果所等待的事件沒有發(fā)生，則置相應(yīng)的等待標(biāo)志后，掛起該任務(wù)，轉(zhuǎn)任務(wù)切換程序段（switchingnow）切換到下一任務(wù)。

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

4 、INT_CLOCK的設(shè)置與延時計算

RTX5 Tiny中與延時相關(guān)的2個參數(shù)為INT_CLOCK和TIMESHARING。先來看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作為硬件定時器，Timer0工作在方式1（16位計數(shù)方式）。因此，如果想增加定時器溢出時間，可以修改INl_CLOCK的定義。但不能無限制地增大，最大只能到216一1，即65 535。如果單片機采用12 MHz的晶振，則每次定時器溢出的最長時間為65.535ms。如果INT_CLOCK的定義值超過了這個數(shù)據(jù)，并不能達到預(yù)期的結(jié)果。例如，把INT_CLOCK定義為100 000（Oxl86AOH），那么實際上INT_CLOCK為34 464（Ox86AOH）。本來是想定時100 ms，實際上得到的卻是34.4 ms。因此，在設(shè)置具體延時時間時必須仔細計算。

系統(tǒng)的任務(wù)輪轉(zhuǎn)時間等于每次定時器溢出時間與TIMESHARING的乘積。因此，要將系統(tǒng)的任務(wù)輪轉(zhuǎn)時間設(shè)置為特殊的時長，可以通過INT_CLOCK與TIME-SHARING兩個參數(shù)的不同組合來實現(xiàn)。不過在一般的應(yīng)用當(dāng)中，都是采用其系統(tǒng)的默認(rèn)值，無須修改。

5、 修改內(nèi)核配置的基本過程

RTX51 TINY的用戶任務(wù)具有以下幾個狀態(tài)。（1）RUNNING：任務(wù)處于運行中，同一時間只有一個任務(wù)可以處于“RUNNING”狀態(tài)。（2）READY：任務(wù)正在等待運行，在當(dāng)前運行的任務(wù)時間片完成之后，RTX51 TINY運行下一個處于“READY”狀態(tài)的任務(wù)。（3）WAITING：任務(wù)等待一個事件。如果所等待的事件發(fā)生的話，任務(wù)進入“READY”狀態(tài)。（4）DELETED：任務(wù)不處于執(zhí)行隊列。（5）IME OUT：任務(wù)由于時間片用完而處于“TIME OUT”狀態(tài)，并等待再次運行。（6）該狀態(tài)寫“READY”狀態(tài)相似，但由于是內(nèi)部操作過程使一個循環(huán)任務(wù)被切換而被冠以標(biāo)記。

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。通常改動的是配置程序CONF_TNY.A51，主要內(nèi)容如下。

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

INT_CLOCK EQU 10000：硬件定時器零TimerO的溢出時間，即1個滴答（tick）的時間長度。默認(rèn)值是10 000個機器周期。對于傳統(tǒng)的MCS51單片機來說，1個機器周期為12個時鐘周期。如果采用12 MHz的晶振，那么每個機器周期將為lμs，1個滴答的時長為10 ms。

TIMESHARING EQU5：定義時間片輪轉(zhuǎn)（round-robin timeout）時間，默認(rèn)值為5個滴答（1個滴答為Tim—erO的1次溢出）。如果INT_CLOCK為10 000，時鐘頻率為12 MHz，則1個時間片的輪轉(zhuǎn)時間為50 ms，即每個任務(wù)每次最大可獲得的執(zhí)行時間為50 ms。如果TIME-SHARING定義為O，則禁止時間片輪轉(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）。用戶可根據(jù)自己的實際需要進行修改，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 、其他需要注意的問題

①堆棧的大小要設(shè)置得合適，太大浪費資源，太小又會出現(xiàn)堆棧錯誤。在系統(tǒng)運行中，有時會發(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題之所在，很有可能是堆棧溢出。在conf_tny.a51中有個非常重要的宏STACK_ERROR，其源程序如下：

通過仿真發(fā)現(xiàn)，程序會在此處死循環(huán)。

（Conf_tny.a51）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，可達到最佳效果。

②同堆棧一樣，輪轉(zhuǎn)時間片的長度也不宜設(shè)置得過大或過小。設(shè)置得過大，則一些持續(xù)時間較短的事件無法響應(yīng)。如果輪轉(zhuǎn)時間設(shè)置得過小，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，處理時間長，無疑會無形中增加系統(tǒng)的負擔(dān)。需要根據(jù)具體的需要權(quán)衡。

結(jié) 語

以上分析可以看到這個內(nèi)核簡潔高效，非常適合于運行在資源較少的單片機上。根據(jù)其設(shè)計思想，我們也很容易把它移植到其它單片機上。但是它也有缺陷，例如：不支持外部任務(wù)切換；不支持用戶使用定時器T0等。這些缺陷的存在，限制了任務(wù)切換的靈活性。

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