KEIL RTX51 TINY内核的分析与应用

摘要：简要介绍RTX51 TINY的基本情况和使用方法；详细分析这个内核的任务管理和内存管理的运行机制，并给出其主要代码流程图。 关键词：单片机 实时操作系统的RTX51 1 RTX51简介 1.1 RTX51 TINY特性 RTX51是KEIL公司开发的用于8051系列单片机的多任务实时操作系统。它有两个版本，RTX51 FULL和RTX51 TINY。 RTX51 TINY是RTX51 FULL的子集，仅支持按时间片循环任务调度，支持任务间信号传递，最大16个任务，可以并行地利用中断。具有以下等待操作：超时、另一个任务或中断的信号。但它不能进行信息处理，不支持存储区的分配和释放，不支持占先式调度。RTX51 TINY一个很小的内核，完全集成在KEIL C51编译器中。更重要的是，它仅占用800字节左右的程序存储空间，可以在没有外放数据存储器的8051系统中运行，但应用程序仍然可以访问外部存储器。RTX51 TINY下文简称为内核。 1.2 RTX51 TINY的使用 内核完全集成在KEIL C51编译器中， 以系统函数调用的方式运行，因此可以很容易地使用KEIL C51语言编写和编译一个多任务程序，并嵌入到实际应用系统中。内核提供以下函数供应用程序引用： ①char os_create_task(task_id); ②char os_delete_task(task_id); ③char os_send_signal(task_id); ④char isr_send_signal(task_id); ⑤char os_clear_signal(task_id); ⑥char os_running_task_id(void); ⑦char os_wait(event_sel,ticks,dummy)。 各函数的函数原型和具体意义。 2 RTX51 TINY内核分析 2.1 任务状态 RTX51 TINY的用户任务具有以下几个状态。 *RUNNING：任务处于运行中，同一时间只有一个任务可以处于“RUNNING”状态。 *READY：任务正在等待运行，在当前运行的任务时间片完成之后，RTX51 TINY运行下一个处于“READY”状态的任务。 *WAITING：任务等待一个事件。如果所等待的事件发生的话，任务进入“READY”状态。 *DELETED：任务不处于执行队列。 *TIME OUT：任务由于时间片用完而处于“TIME OUT”状态，并等待再次运行。该状态写“READY”状态相似，但由于是内部操作过程使一个循环任务被切换而被冠以标记。 图1所示为任务状态转换图。 2.2 同步机制 为了能保证任务在执行次序上的协调，必须采用同步机制。内核用以下事件进行任务间的通信和同步。 ①SIGNAL：用于任务之间通信的位，可以用系统函数置位或清除。如果一个任务调用os_wait函数等待SIGNAL而SIGNAL未置位，则该任务被挂起直到SIGNAL置位，才返回到READY状态，并可被再次执行。 ②TIMEOUT：由os_wait函数开始的时间延时，其持续时间可由定时节拍数确定。带 有TIMEOUT值调用os_wait函数的任务将被挂起，直到延时结束，才返回到READY状态，并可被再次执行。 ③INTERVAL：由os_wait函数开始的时间间隔，其间隔时间可由定时节拍数确定。带有INTERVAL值调用os_wait函数的任务将被挂起，直到间隔时间结束，然后返回到READY状态，并可被再次执行。与TIMEOUT不同的是，任务的节拍计数器不复位。 2.3 调度规则 RTX51 TINY使用8051内部定时器T0来产生定时节拍，各任务只在各自分配的定时节拍数（时间片）内执行。当时间片用完后，切换至下一任务运行，因此，各任务是并发执行的。 调度规则如下：如果 ，且特定事件还没有发生，②任务执行比循环切换所规定的时间长，则运行任务被中断；如果①没有其它任务正在运行，②任务处于“READY”或“TIMEOUT”状态下等待运行，则另一个任务开始。 2.4 任务控制块 为了能描述和控制任务的运行，内核为每个任务定义了称作任务控制块的数据结构，主要包括三项内容： ①ENTRY[task_id]：task_id任务的代码入口地址，位于CODE空间，2字节为一个单位。 ②STKP[taskid]：taskid任务所使用堆栈栈底位置， 位于IDATA空间，1字节为一个单位。 ③STATE[taskid].time和STATE[tasked].state：前者表示任务的定时节折计数器，在每一次定时节拍中断后都自减一次；后者表示任务状态寄存器，用其各个位来表示任务所处的状态。位于IDATA空间，以2字节为一单位。 2.5 存储器管理 内核使用了KEIL C51编译器的对全局变量和局部变量采取静态分配存储空间的策略，因此存储器管理简化为堆栈管理。内核为每个任务都保留一个单独的堆栈区，全部堆栈管理都在IDATA空间进行。为了给当前正在运行的任务分配尽可能大的栈区，所以各个任务所用的堆栈位置是动态的，并用STKP[taskid]来记录各任务所用的堆栈位置是动态的，并用STKP[taskid]来记录和任务堆栈栈底位置。当堆栈自由空间小于FREESTACK（默认为20）个字节时，就会调用宏STACK_ERROR，进行堆栈出错处理。 在以下情况会进行堆栈管理： *任务切换，将全部自由堆栈空间分配正在运行的任务； *任务创建，将自由堆栈空间的2个字节，分配给新创新的任务task_id，并将ENTRY[task_id]，放入其堆栈； *任务删除，回收被删除的任务task_id的堆栈空间，并转换为自由堆栈空间。 堆栈管理如图2所示。 3 代码分析 内核代码用汇编语言写成，可读性差，但代码效率较高，主要由两个源程序文件conf_tny.a51和rtxtny.a51组成。前者是一个配置文件，用来定义系统运行所需要的全局变量和堆栈出错的宏STACK_ERROR，这些全变量和宏，用户都可以根据自己的系统配置灵活修改；后者是系统内核，完成系统调用的所有函数。 3.1 主程序main 主程序main的主要任务是初始化各任务堆栈栈底指针STKP、状态字STATE和定时器T0，创建任务0并将其导入运行队列。这个过程加上KEIL C51的启动代码CSTARTUP正是一般嵌入式系统中BSP所作的工作。 3.2 定时器T0中断服务程序 内核使用定时器T0作为定时节拍发生器，是任务切换、时间片轮转的依据。中断服务程序有三个任务。 ①更新各个任务节拍数：将STATE[taskid].timer减1，如果某任务超时（STATE[taskid].timer=0），并且该任务正在等待超时事件， 则将该任务置为“READY”状态，使其返回任务队列。 ②检查自由堆栈空间：若自由堆栈空间范围小于FREESTACK（默认为20字节）时，可以调用宏STACK_ERROR，进行堆栈出错处理。 ③检查当前任务（处于RUNNING状态）的时间片是否到时。若当前任务的时间片到时，将程序转到任务切换程序段（taskswitching）切换下一任务运行。 程序流程如图3所示。 3.3 任务切换程序段 这个程序段是整个内核中最核心的一们，主要功能是完成任务切换。它共有两个入口TASKSWITCHING和SWITCHINGNOW。前者供定时器T0的中断服务程序调用，后能供系统函数os_delete和os_wait调用。相应也有两个不同的出口。 其基本工作流程是首先将当前任务置为“TIME OUT”状态，等待下一次时间片循环，其次找到下一个处于“READY”状态的任务并使其成为当前任务。然后进行堆栈管理，将自由堆栈空间分配给该任务。清除使该任务进入“READY”或“TIMEOUT”状态的相关位后，执行该任务。流程框图如图4所示。 3.4 os_wait程序段 主要完成os_wait函数。任务调用os_wait函数，挂起当前任务，等待一个或几个间隔（K_IVL）、超时（K_TMO）、信号（K_SIG）事件。如果所等待的事件已经发生，继续执行当前任务；如果所等待的事件没有发生，则置相应的等待标志后，挂起该任务，转任务切换程序段（switchingnow）切换到下一任务。 3.5 其它程序段 其它程序段主要完成os_create_task、os_delete_task函数和有关信号处理的os_send_signal、isr_send_signal、os_clear_signal函数。这些函数功能相对比较简单，主要是根据上述存储器管理策略进行堆栈的分配和删除，并改变任务字STATE[tasked].state，使任务处于不同的状态。 以上所有程序段，若涉及到任务状态字操作，必须关中断，以防止和定时器T0同时操作任务状态字。 结语 以上分析可以看到这个内核简洁高效，非常适合于运行在资源较少的单片机上。根据其设计思想，我们也很容易把它移植到其它单片机上。但是它也有缺陷，例如：不支持外部任务切换；不支持用户使用定时器T0等。这些缺陷的存在，限制了任务切换的灵活性。