RTX51 Tiny內(nèi)核在實(shí)際應(yīng)用中的概念和問(wèn)題探討

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(zhuān)用版本MDK-ARM。TX51 TINY是RTX51 FULL的子集，僅支持按時(shí)間片循環(huán)任務(wù)調(diào)度，支持任務(wù)間信號(hào)傳遞，最大16個(gè)任務(wù)，可以并行地利用中斷。具有以下等待操作：超時(shí)、另一個(gè)任務(wù)或中斷的信號(hào)。但它不能進(jìn)行信息處理，不支持存儲(chǔ)區(qū)的分配和釋放，不支持占先式調(diào)度。RTX51 TINY一個(gè)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(chǔ)空間，可以在沒(méi)有外放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8051系統(tǒng)中運(yùn)行，但應(yīng)用程序仍然可以訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器。RTX51 TINY下文簡(jiǎn)稱(chēng)為內(nèi)核。

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)。實(shí)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(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(hù)也無(wú)需關(guān)心。這造成了一部分用戶(hù)的誤解，以為RTX51沒(méi)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(yùn)行，因此可以很容易地使用KEIL C51語(yǔ)言編寫(xiě)和編譯一個(gè)多任務(wù)程序，并嵌入到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中。

另外，使用RTX51 Timy時(shí)用戶(hù)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(hù)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(huà)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(hù)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。

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(gè)或幾個(gè)間隔（K_IVL）、超時(shí)（K_TMO）、信號(hào)（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(méi)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(shí)上，用戶(hù)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

RTX51 TINY的用戶(hù)任務(wù)具有以下幾個(gè)狀態(tài)。（1）RUNNING：任務(wù)處于運(yùn)行中，同一時(shí)間只有一個(gè)任務(wù)可以處于“RUNNING”狀態(tài)。（2）READY：任務(wù)正在等待運(yùn)行，在當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)時(shí)間片完成之后，RTX51 TINY運(yùn)行下一個(gè)處于“READY”狀態(tài)的任務(wù)。（3）WAITING：任務(wù)等待一個(gè)事件。如果所等待的事件發(fā)生的話(huà)，任務(wù)進(jìn)入“READY”狀態(tài)。（4）DELETED：任務(wù)不處于執(zhí)行隊(duì)列。（5）IME OUT：任務(wù)由于時(shí)間片用完而處于“TIME OUT”狀態(tài)，并等待再次運(yùn)行。（6）該狀態(tài)寫(xiě)“READY”狀態(tài)相似，但由于是內(nèi)部操作過(guò)程使一個(gè)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(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T(mén)im—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(hù)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.a51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.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(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)

以上分析可以看到這個(gè)內(nèi)核簡(jiǎn)潔高效，非常適合于運(yùn)行在資源較少的單片機(jī)上。根據(jù)其設(shè)計(jì)思想，我們也很容易把它移植到其它單片機(jī)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(hù)使用定時(shí)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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