基于實時操作系統的單片機應用系統設計

0.引言

Small RTOS 對RAM 需求小，非常適合單片機這類資源比較少的系統上。RTOS 具有多任務處理，較強的實時性，可裁減的內核，使得實時應用程序的設計、擴展和維護變得更容易。RTOS 思想的引入，一改傳統單片機軟件設計方法，使其不再是單一線程結構方式，通過應用程序分割為若干獨立的任務，RTOS 使得應用程序的設計過程大為簡化。本文結合基于單片機的電子存包柜的軟件設計，簡要分析了Small RTOS 的設計思想及消息隊列通信機制的應用。

1. Small RTOS51 的基本原理

Small RTOS51是一個很小的內核，完全集成在KEIL C51編譯器中，僅占用較少的程序存儲空間，可以在沒有外掛數據存儲器的51單片機系統中運行。內核負責系統的初始化和開放、調度其它任務，根據各個任務的優先級，合理地在不同任務之間分配CPU 的時間，內核一般都能提供任務調度和中斷服務等功能。把一道程序和一個任務對應，把任務中的每個分開的、獨立執行的部分稱之為線程。所有的事件驅動和時間驅動都體現在設置相應的任務標識和線程標識。當硬件環境一定時，依據這些標識，通過安排系統內中斷響應方式和調整任務調度算法，采用設置環境變量的方法，使中斷退出后可以任意返回到多個設置入口中的某一個去執行，有效地解決了前臺和后臺任務線程的靈活切換這一關鍵問題。Small RTOS 51 的用戶任務具有運行態、就緒態、等待和掛起、中斷服務程序。任何一個時刻，任務的狀態就是這四種狀態之一。為了節省內存，OS 不能動態的建立和刪除任務，用函數OSSTART()啟動多任務環境后，OS 就把所有的任務建立起來，并把它們設為就緒狀態，開始運行優先級最高的任務。只有當所有的優先級高于它的任務轉為等待時。就緒的任務才能進入運行狀態。調度程序將“任務就緒表”中的最高優先級別的任務作為下個要執行的任務。

任務調用 os_wait 函數，掛起當前任務，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發生，繼續執行當前任務;如果所等待的事件沒有發生，則置相應的等待標志后，掛起該任務，轉任務切換程序段切換到下一任務。

Small RTOS51 通過執行函數init ( )來給寄存器賦初值，調用函數OSSTart ( ) 來初始化每一個任務的堆棧并執行第一個任務，而選擇第一個任務執行的理由是該任務的優先級別。在選擇過程中就完成了任務的調度。

1.1 任務之間的通訊

任務之間的通訊采用消息隊列，經過3步：創建消息隊列OSQCreate()，向消息隊列發消息OSQPost()，取消息OSQPend()。調用OSQPost ( )函數發送消息時，如果已經有任務在等待該消息，則立即轉向等待該消息的任務，如果消息隊列已滿，則無法傳遞該消息，返回一個錯誤信息。如消息隊列未滿，同時也沒有其他任務等待該消息，則入列。值得注意的是，當隊列滿時，該函數并不掛起當前任務，因此調用該函數的任務應當判斷返回條件，如果消息滿，則應掛起當前任務。接收消息時，如果消息隊列空，則取消息的任務將掛起，直到該消息隊列中有消息時才會繼續執行。

2. 應用實例

2.1 硬件平臺

以應用在大型超市、書店的電子式存包柜為例，系統框圖如下

該電子存包柜可以控制的最大貨物存儲箱數為 32 個，分左右各16 個箱子，上圖只畫出16 路控制。控制芯片采用AT89C55 單片機，配有實時時鐘模塊、條碼讀入器、液晶顯示模塊、熱敏打印機組成，設計為三塊PCB 板。

1 主控板，進行用戶的存包和取包人機交互，保存存包密碼，顯示用戶取*程中的密碼輸入以及全部32 個存包箱的狀態。

2 門控制板由三部分組成，第一部分箱內物品檢測，包含16 路紅外線檢測輸入、16 路紅外發射控制驅動。第二部分16 路繼電器控制，開箱控制由16 個小直流電機構成16 個箱子的開門控制。第三部分箱門狀態檢測，檢測16 個箱門的開/關。

3 存取包的條碼打印、語音提示，整個系統由 4 個單片機配合工作，主控單片機管理存包用戶的操作并記錄其歷史參數，然后向從單片機發出指令，分配空箱并打印輸出存包條，給用戶。