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1、第12章 C51下的RTX-51实时多任务操作系统在C51语言中，除了可以编写一般的单进程程序外，还可以实现多任务操作系统设计。在51系列单片机上能够运行的实时多任务操作系统为RTX-51。其可以在单个51系列单片机上管理多个进程或者任务。RTX-51使得复杂的多任务程序设计变得简单，因此在51系列单片机中应用很广泛。本章主要介绍RTX-51实时多任务操作系统的种类，并以RTX-51 Tiny为主介绍了RTX-51的系统函数、RTX-51的任务管理及配置等。最后，对RTX-51 FULL系统进行了介绍。12.1 RTX-51实时多任务操作系统简介在简单的单片机程序中，采用单一进程并配以中断处理
2、则可以完成大部分的设计需求。但是，对于一些复杂的应用程序，需要同时执行多个进程或者任务。传统的程序设计方式使得程序比较复杂，且程序的运行性能难以满足多任务实时性的要求。此时，便需要实时多任务操作系统（RTOS）。实时多任务操作系统（RTOS）可以灵活地为各个任务分配系统资源，包括CPU、内存以及时间等。因此，CPU同时执行多个任务或者进程，在一定程度上实现多任务并行工作。在51内核单片机中，可以使用RTX-51多任务实时操作系统来实现多任务并行工作。实时多任务操作系统RTX-51使用标准的C51语言来编写，其自身提供了灵活的时间分配和简单有效的系统函数，可以实现多任务的及时响应和切换。12.1
3、.1 单任务程序与多任务程序的比较对于一般的C51程序，均包含main主函数。程序从main主函数开始执行，是一个单任务单进程的程序。如果程序中使用了中断，则可以在中断发生的时候转向中断服务例程。对于RTX-51实时多任务操作系统，其中可以使用多个任务，则允许多个任务准并行地执行。下面将举例介绍单任务程序和RTX-51多任务程序的区别。1简单的单任务程序2多任务循环程序3RTX-51实时多任务程序12.1.2 RTX-51实时多任务操作系统种类目前，在Keil Vison3集成开发环境中支持RTX-51 Tiny和RTX-51 FULL两个版本的实时多任务操作系统。分别介绍如下。RTX-51
4、FULL实时多任务操作系统在运行时，允许多达4个优先权任务的切换和循环，并能够并行地利用单片机的中断功能。RTX-51 FULL中的os_wait函数可以支持中断、超时、中断或任务的信号、中断或任务的消息以及信号量的事件等待。同时，RTX-51 FULL中还可以进行存储器分配及释放。RTX-51 FULL还支持程序中的信号传递，以及与系统邮箱（Mailbox System）和信号量之间的消息传递。RTX-51 Tiny实时多任务操作系统是RTX-51 FULL的一个子集，主要运行在没有外部扩展存储器的单片机系统中。但是，使用RTX-51 Tiny也可以在程序中访问外部的存储器。RTX-51 T
5、iny同样允许任务的切换、中断功能的并行应用以及信号传递。RTX-51 Tiny的os_wait函数可以支持超时、时间间隔以及来自中断或任务的信号等待事件。相比RTX-51 FULL，在RTX-51 Tiny中，不能进行占先式任务处理、消息处理以及存储器的分配和释放。12.2 RTX-51的系统函数RTX-51实时多任务操作系统的系统函数主要用于任务管理、任务通信以及其他服务。这里以RTX-51 Tiny为例进行介绍。RTX-51 Tiny是RTX-51 FULL的一个简化版本，其可以完成绝大多数的实时多任务操作。在使用RTX-51 Tiny的系统函数时，需要在程序中加入“RTX51TNY.h
6、”头文件。在该头文件中，提供了RTX-51 Tiny系统函数的说明以及所有常数声明。在RTX-51实时操作系统的系统函数中，以“os_”开头的函数被任务专用，而以“isr_”开头的函数被C51的中断函数专用。12.2.1 中断调用的发送信号函数发送信号函数isr_send_signal主要用于向另外一个任务发送信号。该函数只能被中断函数调用，其函数原型如下：char isr_send_signal(unsigned char taskid);其中，参数taskid指定接收信号任务的任务号。发送信号函数isr_send_signal的返回值如果为0，则表示信号发送成功；如果为-1，则表示指向的接
7、收信号任务不存在。使用函数isr_send_signal的程序示例如下。#include void task_isrsendsignal(void)interrupt 2isr_send_signal(4);/向任务4发送信号 12.2.2 清除信号标志函数清除信号标志函数os_clear_signal主要用于清除指定任务的信号标志，主要用于选择所定义的输出状态。其函数原型如下：char os_clear_signal (unsigned char taskid);其中，参数taskid指向所需要清除信号标志的任务号。清除信号标志函数os_clear_signal的返回值如果为0，则表示信号标
8、志清除成功；如果为-1，则表示指向的任务不存在。使用清除信号标志函数os_clear_signal的程序示例如下。#include void task_osclearsignal (void)_task_ 2os_clear_signal (5);/清除任务5中的信号标志12.2.3 启动任务函数启动任务函数os_create_task主要用于启动指定任务号的任务。其函数原型如下：char os_create_task (unsigned char taskid);其中，参数taskid指向所需要启动任务的任务号，taskid必须与任务定义时描述的数字一致，其可取值的范围为015。启动任务函数
9、os_create_task的返回值如果为0，则表示启动任务成功；如果为-1，则表示所指向的任务不存在或者任务无法启动。使用启动任务函数os_create_task的程序示例如下：#include #include voidntask(void)_task_ 3/任务3void task_oscreatetask (void)_task_ 2If(os_create_task (3)=-1)/启动任务3Printf(“不能启动任务3”);12.2.4 删除任务函数删除任务函数os_delete_task主要用于删除指定任务号的任务。其函数原型如下。char os_delete_task (un
10、signed char taskid);其中，参数taskid指向所需要删除任务的任务号，taskid必须与任务定义时描述的数字一致，其可取值的范围为015。删除任务函数os_delete_task的返回值如果为0，则表示删除任务成功；如果为-1，则表示指向的任务不存在或者任务没有启动。使用删除任务函数os_delete_task的程序示例如下：#include #include void task_osdeletetask (void)_task_ 2If(os_delete_task (4)=-1)/删除任务4Printf(“无法删除任务4”); 12.2.5 当前任务号函数当前任务号函数
11、os_running_task_id主要用于获得当前运行任务的任务号，该函数的返回值表示当前任务的任务号。其函数原型如下。char os_running_task_id (void);使用当前任务号函数os_delete_task的程序示例如下：#include #include void task_ osrunningtaskid (void)_task_ 2unsigned char rtid;rtid= os_running_task_id();/调用当前任务号函数printf(“当前任务号rtid=%dn”,rtid);12.2.6 任务调用的发送信号函数发送信号函数os_send_s
12、ignal主要用于向一个任务发送信号。其函数原型如下。char os_send_signal(unsigned char taskid);其中，参数taskid指向接收信号任务的任务号。发送信号函数os_send_signal的返回值如果为0，则表示信号发送成功；如果为-1，则表示指向的任务不存在。使用发送信号函数os_send_signal的程序示例如下：#include void task_ossendsignal(void)_task_ 3os_send_signal(4);/向任务4发送信号12.2.7 等待函数在RTX-51的系统函数中，提供了多个等待函数，分别用于不同的应用场合。下
13、面分别介绍各个等待函数的声明及用法。1等待函数os_wait2等待函数os_wait13等待函数os_wait212.3 RTX-51的任务调度RTX-51实时多任务操作系统和标准的单进程C51程序的主要区别在于任务调度的方式。单进程C51程序主要通过函数调用或中断来实现任务调度。RTX-51多任务程序可以采用4种任务调度方式：循环任务调度、事件任务调度、信号任务调度和抢先任务切换。另外，RTX-51还有一些特有的概念和特性。12.3.1 循环任务调度在RTX-51实时多任务操作系统中，使用一个定时子程序，其由单片机的硬件定时器来完成。这个定时子程序产生周期性的中断，用来驱动RTX-51内核实
14、现时间片的划分。RTX-51循环任务调度便按照预先划分的时间片来循环轮流执行多个任务的。在RTX-51循环任务调度程序中，不要求有main主函数，RTX-51内核自动从第0号任务开始执行。对于某些多任务程序，如果包含main主函数，则需要使用os_create_task（RTX-51 Tiny系统）和os_start_system（RTX-51 FULL系统）函数来手工启动RTX-51实时多任务操作系统。12.3.2 事件任务调度RTX-51的事件可以用来更加灵活地为各个任务分配CPU时间，RTX-51的事件任务调度便是使用事件来实现多任务之间切换的调度方式。在RTX-51系统中，可以使用os
15、_wait函数向多任务内核发送事件，暂停当前任务的执行，从而可以实现在等待指定的事件时可以执行其他的任务。最典型的RTX-51事件是时钟信号的超时周期。12.3.3 信号任务调度在RTX-51实时多任务操作系统中，还提供了使用信号来完成多任务之间切换的调度方式，即RTX-51信号任务调度。在RTX-51系统中，使用os_send_signal函数向另一个任务发送信号，接收信号的任务使用os_wait函数等待该信号。当任务接收到信号后，便结束等待状态，开始向下执行。如果，任务在使用os_wait函数等待接收信号之前，信号已经发送过来，那么该任务将立即继续执行，不再等待信号。12.3.4 优先级及
16、抢先任务切换在默认情况下，RTX-51所有的任务优先级均为0，这是系统中最低的优先级。在RTX-51 FULL中提供了优先级设置及抢先的任务切换，而RTX-51 Tiny中则不具备这个功能。RTX-51 FULL中优先级可以设置为03，使用“_priority_”来设定。当高优先级任务满足执行条件的时候，RTX-51 FULL将中断低优先级的任务执行。12.3.5 RTX-51的主要概念和特性RTX-51实时多任务操作系统有自己独特的概念和特性。这些特性完全不同于一般的单进程单片机C51程序。下面总结一下常用的RTX-51概念和特性。1中断2信号和事件3信息传递4CAN通信5BITBUS通信1
17、2.4 RTX-51 Tiny的任务管理前面介绍了RTX-51的任务调度种类，这里以RTX-51 Tiny为例介绍其支持的任务状态以及事件等任务管理。RTX-51 Tiny系统作为RTX-51 FULL系统的一个子集，其任务管理继承了RTX-51 FULL的特性，又有其自身的特点。12.4.1 RTX-51 Tiny的任务状态在RTX-51 Tiny系统中支持5种任务状态，这5种状态分别如下所示。READY状态：任务正在等待运行。其前面运行的任务完成后，按照RTX-51 Tiny内核的规则开始运行处于等待状态的任务。RUNING状态：任务正在运行。RTX-51 Tiny中规定，每一个时刻只能有
18、一个任务处于正在运行状态，即RTX-51实现的是准并行任务执行。WAITING状态：任务处于等待状态。此时，如果指定的事件发生时，任务便进入READY状态。TIMEOUT状态：任务被一个循环超时事件所中断，该状态与状态READY相似。所不同的是，TIMEOUT状态是由RTX-51 Tiny系统的内部循环任务切换操作产生的。DELETED状态：任务被删除，不执行。12.4.2 RTX-51 Tiny的事件RTX-51 Tiny中使用事件来进行任务管理，其支持的事件包括超时TIMEOUT、时间间隔INTERVAL和信号SIGNAL。这些事件一般在os_wait函数中使用，分别介绍如下。超时TIME
19、OUT：主要用于os_wait函数开始的时间延时，由RTX-51 Tiny的定时器脉冲来确定持续时间。如果一个任务调用os_wait函数函数时带有TIMEOUT参数，则其将被挂起，当延时结束时将返回到READY状态并可以被再次运行。时间间隔事件INTERVAL：主要用于os_wait函数开始的时间间隔，由RTX-51 Tiny的定时器脉冲来确定间隔延时时间。RTX-51系统的定时器是不复位的，定时器一直处于运行状态，因此事件INTERVAL将同样一直工作，这与TIMEOUT不同。如果某个任务需要在同步间隔内执行，则可以使用时间间隔事件INTERVAL来完成。信号SIGNAL：信号SIGNAL为
20、位变量，主要用于多任务之间的通信。在RTX-51 Tiny系统中，可以使用系统函数置位或者清除信号SIGNAL位。一个任务在运行前可以使用os_wait函数来等待信号SIGNAL置位，如果信号SIGNAL未置位，则该任务将不执行；如果信号SIGNAL置位，该任务返回到READY状态，并可以被RTX-51 Tiny再次执行。12.4.3 RTX-51 Tiny的任务切换8051单片机的CPU执行时间被RTX-51 Tiny内核划分为多个时间段，系统为每个任务分配一个时间段。在RTX-51 Tiny系统执行时，一个任务只能在其分配的时间段内执行，然后由RTX-51 Tiny内核切换到另一个任务执行
21、。各个时间段的持续时间可以根据需要修改，在系统的配置文件CONF_TNY.A51中设置，对应的变量为TIMESHARING。RTX-51 Tiny系统的循环任务切换允许“准平行”地执行多个循环或者任务。所谓“准平行”，也就是各个任务并不是一直并行运行的，而是各自在其预定的时间段内运行。由于各个任务切换的时间很短，因此可以看作“并行”运行。12.5 RTX-51 Tiny的系统配置在RTX-51实时多任务操作系统中，其系统定时器间隔以及TIMEOUT值等都可以重新配置。RTX-51 Tiny的参数配置文件为CONF_TNY.A51。在一般情况下，RTX-51 Tiny系统按照默认的参数设置来运行
22、。如果需要，则可以修改其中的参数来满足性能的要求。12.5.1 RTX-51 Tiny系统配置文件这里以RTX-51 Tiny为例介绍实时多任务操作系统的配置文件。RTX-51 Tiny系统的配置文件CONF_TNY.A51分为两部分，前半部分主要是RTX-51 Tiny的系统参数配置，用户可以根据需要更改。后半部分则不需要更改。这里给出RTX-51 Tiny的参数配置部分代码，并配合中文注释以便于读者理解。12.5.2 RTX-51 Tiny系统参数RTX-51 Tiny系统的配置文件CONF_TNY.A51中的参数，一般用伪指令EQU来指定。下面分别介绍这些参数的功能及用法。12.6 RT
23、X-51 Tiny的要求及注意事项RTX-51 Tiny为用户在8051系列单片机上运行实时多任务操作系统提供了便利，然而其对编译环境及硬件有特定的要求。另外，RTX-51 Tiny中的函数、指针和寄存器的选择同普通的单片机程序也有所区别，这些在使用时都要及时注意。12.6.1 RTX-51 Tiny的要求及技术参数使用RTX-51 Tiny系统时，需要了解其在编译环境、硬件系统方面的要求和技术参数。1RTX-51 Tiny系统要求在Keil Vision3集成开发环境中使用RTX-51 Tiny实时任务操作系统时，需要用到如下的工具：C51编译器A51宏汇编器DL51连接定位器 2RTX-5
24、1 Tiny的技术参数RTX-51 Tiny实时多任务操作系统运行于8051硬件平台，其根据51系列单片机的特点进行了特定的优化和限定 12.6.2 RTX-51 Tiny的注意事项除了上述软件及硬件上的要求外，在进行RTX-51 Tiny实时操作系统程序设计时，还需要注意任务定义、寄存器选择以及中断等事项，下面分别进行介绍。1任务定义2寄存器组选择3中断处理4再入函数5库函数的使用6多数据指针和算术处理器12.7 RTX-51 FULL实时多任务操作系统简介RTX-51 FULL系统和RTX-51Tiny系统的程序设计类似，只不过在RTX-51 FULL系统中提供了对实时多任务操作系统更多的
25、功能支持。下面主要介绍一下，RTX-51 FULL系统中的系统函数以及相关的技术参数。12.7.1 RTX-51 FULL函数一览RTX-51 FULL系统中除了提供了RTX-51 Tiny系统中相同的系统函数外，还提供了一些特有的系统函数。常用的RTX-51 FULL的系统函数，如表12.2所示。12.7.2 RTX-51 的技术参数由于RTX-51 FULL实时多任务操作系统运行于8051单片机平台，其运行需要满足特定的技术要求。RTX-51 FULL的技术参数，如表所示。RTX-51的技术参数描 述RTX-51 Full任务数量最多256个，可同时激活19个RAM需求40到46字节DAT
26、A空间20到200字节IDATA空间（用户堆栈）最少650字节XDATA空间代码大小限制6KB8KB硬件资源要求定时器0或定时器1系统时钟1000到40000个周期中断请求时间50个周期任务切换时间70到100个周期（快速任务）180到700个周期（标准任务），取决于堆栈的负载邮箱系统8个分别带有整数入口的信箱内存池最多16个内存池信号量81位12.8 小结本章详细介绍了RTX-51实时多任务操作系统。RTX-51实时多任务操作系统运行于8051硬件平台，由C51语言来进行编写。RTX-51的程序不同于普通的单片机C51程序，本章对RTX-51的系统函数、任务调度、任务管理以及RTX-51 Tiny的配置和系统要求进行了详细的介绍。在讲解时结合了大量的实例来加深印象和理解。熟练掌握和运用本章内容，可以简化多任务C51单片机程序设计。
