51單片機(jī)操作系統(tǒng)開發(fā)中有什么技巧會碰到什么問題

51系列單片機(jī)是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機(jī)，在我國的應(yīng)用非常廣泛。目前，在軟件設(shè)計中需要軟件工程師從底層做起，在系統(tǒng)軟件設(shè)計方面需要做大量的重復(fù)性勞動。如果開發(fā)一套基于51系列單片機(jī)的操作系統(tǒng)，那么用戶只需要編寫各個任務(wù)的程序，不必同時將所有任務(wù)運(yùn)行的各種情況記在心中，不但大大減少了程序編寫的工作量，而且減少了出錯的可能性。

1 開發(fā)平臺的選擇和論證

開發(fā)平臺的選擇至關(guān)重要，因為有時它不光影響進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量、可維護(hù)性等一般問題，還涉及到方案的可實現(xiàn)性。

在本系統(tǒng)中，選擇51系列單片機(jī)作為操作系統(tǒng)的運(yùn)行平臺有以下原因。

首先，51系列單片機(jī)應(yīng)用非常廣泛，一大批性能優(yōu)越的51兼容單片機(jī)相繼推出。這里包括：低功耗、高速度和增強(qiáng)型的Philips公司的系列產(chǎn)品；完美地將Flash（非易失閃存技術(shù)）EEPROM與80C51內(nèi)核結(jié)合起來的Atmel公司的系列產(chǎn)品；在抗干擾性能，電磁兼容和通信控制總線功能上獨(dú)樹一幟，其產(chǎn)品常用于工作環(huán)境惡劣場合的Siemens公司的系列產(chǎn)品以及一些其它公司的產(chǎn)品。既然產(chǎn)品如此豐富，性能如此優(yōu)越，那么在處理多任務(wù)并且對實時性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)設(shè)計中，為了充分挖掘單片機(jī)的潛能（尤其是在實時性方面），也是為了簡化開發(fā)的過程，基于51系列單片機(jī)的實時操作系統(tǒng)的需求就十分強(qiáng)烈了。Keil公司的RTX51 Full就是一個基于51系列單片機(jī)的有實用價值的實時操作系統(tǒng)，但該操作系統(tǒng)是一個源碼不公開的收費(fèi)軟件。

其次，借助于Keil C51的集成開發(fā)環(huán)境，完全可以開發(fā)出適用于51系列單片機(jī)的操作系統(tǒng)代碼。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的Windows界面集成開發(fā)調(diào)試工具。

另外重要的一點(diǎn)， Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時，更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼，而且用C語言可以打開和關(guān)閉中斷。

2 開發(fā)51單片機(jī)操作系統(tǒng)應(yīng)注意的問題

（1） 操作系統(tǒng)軟件的代碼不能太長

因為51系列單片機(jī)的系統(tǒng)硬件資源相對匱乏，如果操作系統(tǒng)的代碼比應(yīng)用程序的代碼還大，甚至使得用戶的應(yīng)用程序要考慮給操作系統(tǒng)讓出資源，這樣的操作系統(tǒng)即使功能再完善，也不實用?，F(xiàn)在流行的嵌入式操作系統(tǒng)就不能應(yīng)用于51系列單片機(jī)，原因是代碼太大。開發(fā)一個5000行的基于裸機(jī)的應(yīng)用程序也就是占用7~8KB ROM空間，一個操作系統(tǒng)用掉了幾十KB，占空間不算，實時性的優(yōu)勢恐怕也沒了（執(zhí)行這么多的指令要時間）。所以，μCOS的作者也不支持將他的代碼移植到51系列單片機(jī)上，這也就不奇怪了。

（2） 操作系統(tǒng)不能占用太多的片內(nèi)RAM空間

51系列單片機(jī)只有128個或者256個字節(jié)的片內(nèi)RAM空間，稍微不注意就用完了。如果操作系統(tǒng)把片內(nèi)的RAM使用得所剩無幾，那用戶的應(yīng)用程序用什么？ 如果說用戶的程序可以把變量定義在片外RAM中的話，那么系統(tǒng)的硬件堆棧放在哪？ 眾所周知，51系列單片機(jī)的硬件堆棧不能放在片外，所以要在51系列單片機(jī)上開發(fā)操作系統(tǒng)的話就要少用它的片內(nèi)RAM。但是不用片內(nèi)RAM是辦不到的，因為操作系統(tǒng)也要傳遞參數(shù)，也要使用堆棧。C51單片機(jī)的C函數(shù)傳遞參數(shù)是通過寄存器和存儲器的，不能通過堆棧。但是可以通過一些措施使得操作系統(tǒng)代碼少用片內(nèi)RAM。

（3） 解決好函數(shù)的重入問題

開發(fā)實時占先式的操作系統(tǒng)，可重入函數(shù)是非用不可的。可重入函數(shù)可以被一個以上的任務(wù)調(diào)用，而不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)被破壞。可重入函數(shù)任何時候都可以被中斷，一段時間后又可以運(yùn)行，而應(yīng)用數(shù)據(jù)不會丟失。使得函數(shù)具有可重入性必須使得函數(shù)能夠滿足下列三個條件之一：

① 不使用共享資源；

② 在使用共享資源時關(guān)中斷，使用完畢后再開中斷；

③ 在使用共享資源時申請信號量，使用完后釋放信號量。

這些條件在標(biāo)準(zhǔn)C中編程很容易實現(xiàn)，但是在Keil C51中就比較麻煩。因為標(biāo)準(zhǔn)C是把局部變量分配到用戶堆棧中（動態(tài)分配），而Keil C51將局部變量分配到寄存器或內(nèi)存固定地址（靜態(tài)分配），并通過變量覆蓋分析的方法，使多個函數(shù)的局部變量使用相同的內(nèi)存地址以減少內(nèi)存占用。在Keil C51中，如果局部變量分配在寄存器中還好些，如果局部變量分配在內(nèi)存中就比較麻煩。

（4） 堆棧的分配問題

占先式操作系統(tǒng)的主要任務(wù)就是進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，通過對任務(wù)的實時調(diào)度來完成系統(tǒng)的功能。任務(wù)調(diào)度過程中，不可避免的發(fā)生任務(wù)對系統(tǒng)資源的搶占問題，因為系統(tǒng)中CPU只有一個，而每個任務(wù)都認(rèn)為自己是CPU的絕對占用者，每一個任務(wù)都是一個死循環(huán)。任務(wù)間進(jìn)行切換的依據(jù)就是各自的優(yōu)先級，一個高優(yōu)先級的任務(wù)可以通過任務(wù)調(diào)度函數(shù)或者中斷退出函數(shù)等來中止正在運(yùn)行的任務(wù)。被中斷的任務(wù)只有自己的優(yōu)先級在當(dāng)前就緒任務(wù)表中最高時，才能從被中斷處繼續(xù)運(yùn)行。這就需要為每個任務(wù)分配任務(wù)堆棧，來保存任務(wù)的環(huán)境變量。由于每個任務(wù)在不同時刻被中斷時需要保存的環(huán)境變量數(shù)目不同，所以任務(wù)堆?？臻g的分配問題也是一門學(xué)問。

3 一些解決問題的技巧

（1） 片內(nèi)RAM占用問題的解決

任務(wù)堆棧最好不要放在片內(nèi)，如果把任務(wù)堆棧放在片內(nèi)的話，用戶應(yīng)用程序可使用的資源就非常有限，應(yīng)用程序的功能也會受到限制。這就是為什么某些把任務(wù)堆棧放在片內(nèi)的基于51系列單片機(jī)的實時操作系統(tǒng)只能用來做些演示實驗，但并不實用。一個有實用價值的基于51系列單片機(jī)的實時操作系統(tǒng)必須在512字節(jié)以上的RAM環(huán)境中運(yùn)行。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了很多帶有輔助RAM的51系列單片機(jī)，這類單片機(jī)把片外的RAM集成到芯片內(nèi)，使用MOVX指令來訪問這些RAM。如果用戶不想通過三總線來擴(kuò)展片外RAM的話，可以選用這種帶有輔助RAM的單片機(jī)。此外，因為操作系統(tǒng)要用到一些全局變量，鑒于處理的速度問題又不想把它們?nèi)康姆旁谄?，那就可以根?jù)這些全局變量應(yīng)用的頻繁程度來決定把哪些移到片外，哪些留在片內(nèi)。別小看這幾個字節(jié)的節(jié)約，在51系列單片機(jī)上效果會很明顯。筆者認(rèn)為在這種資源相對匱乏的單片機(jī)上，開發(fā)操作系統(tǒng)的最高境界應(yīng)該是開發(fā)一個綠色的操作系統(tǒng)，用戶在應(yīng)用操作系統(tǒng)時可以用的系統(tǒng)資源應(yīng)該和基于裸機(jī)編程差不多。

（2） 重入問題的解決

應(yīng)該盡量使有重入性要求的函數(shù)的參數(shù)傳遞通過寄存器來完成，這樣可以用一般的方法來編寫函數(shù)，使得函數(shù)具有重入性。如果實在是寄存器不夠用的話，可以動用硬件堆棧來保存這些局部變量。

（3） 堆棧分配問題的解決

鑒于各個任務(wù)對于任務(wù)堆棧大小的要求不同，即使同一個任務(wù)在不同的時刻被中斷，它對堆棧大小的要求也不相同的情況，可以將任務(wù)堆棧多分配出一個字節(jié)，用來統(tǒng)計任務(wù)堆棧中有效數(shù)據(jù)的個數(shù)。單片機(jī)的片內(nèi)RAM中，堆棧的棧底也做一個標(biāo)志，當(dāng)任務(wù)切換時，把當(dāng)前任務(wù)放在堆棧中的環(huán)境變量從棧底到棧頂全部拷貝到任務(wù)的堆棧中，然后把將要運(yùn)行任務(wù)的任務(wù)堆棧中的所有數(shù)據(jù)恢復(fù)到棧底標(biāo)志開始的地方。任務(wù)堆棧和硬件堆棧之間的數(shù)據(jù)拷貝如圖1所示。

圖1 堆棧間的數(shù)據(jù)拷貝

其中，Stack（i）和Stack（j）都是指針數(shù)組Stack［max_tasks］中的元素，NUM=SP-StkStart，圖1中所要進(jìn)行的操作步驟是：①將系統(tǒng)硬件堆棧中的內(nèi)容放到當(dāng)前任務(wù)的堆棧中；②把將要運(yùn)行的任務(wù)的堆棧內(nèi)容移到系統(tǒng)的硬件堆棧中，并將硬件堆棧中的內(nèi)容彈出到各個寄存器。這個過程就完成了任務(wù)的切換。

結(jié)語

本文介紹了在基于51系列單片機(jī)的嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)中，可能遇到的幾個問題和它們的解決辦法。這些想法都是筆者在學(xué)習(xí)和實踐中得來的，相信能夠?qū)氖孪嗤ぷ鞯娜藛T有一定啟發(fā)。