KEIL RTX51 TINY內核的分析與應用

　　摘要：簡要介紹RTX51 TINY的基本情況和使用方法；詳細分析這個內核的任務管理和內存管理的運行機制，并給出其主要代碼流程圖。

    關鍵詞：單片機 實時操作系統的RTX51

1 RTX51簡介

1.1 RTX51 TINY特性

　　RTX51是KEIL公司開發的用于8051系列單片機的多任務實時操作系統。它有兩個版本，RTX51 FULL和RTX51 TINY。

　　RTX51 TINY是RTX51 FULL的子集，僅支持按時間片循環任務調度，支持任務間信號傳遞，最大16個任務，可以并行地利用中斷。具有以下等待操作：超時、另一個任務或中斷的信號。但它不能進行信息處理，不支持存儲區的分配和釋放，不支持占先式調度。RTX51 TINY一個很小的內核，完全集成在KEIL C51編譯器中。更重要的是，它僅占用800字節左右的程序存儲空間，可以在沒有外放數據存儲器的8051系統中運行，但應用程序仍然可以訪問外部存儲器。RTX51 TINY下文簡稱為內核。

1.2 RTX51 TINY的使用

　　內核完全集成在KEIL C51編譯器中，以系統函數調用的方式運行，因此可以很容易地使用KEIL C51語言編寫和編譯一個多任務程序，并嵌入到實際應用系統中。內核提供以下函數供應用程序引用：

　　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)。

　　各函數的函數原型和具體意義。

2 RTX51 TINY內核分析

2.1 任務狀態

　　RTX51 TINY的用戶任務具有以下幾個狀態。

　　*RUNNING：任務處于運行中，同一時間只有一個任務可以處于“RUNNING”狀態。

　　*READY：任務正在等待運行，在當前運行的任務時間片完成之后，RTX51 TINY運行下一個處于“READY”狀態的任務。

　　*WAITING：任務等待一個事件。如果所等待的事件發生的話，任務進入“READY”狀態。

　　*DELETED：任務不處于執行隊列。

　　*TIME OUT：任務由于時間片用完而處于“TIME OUT”狀態，并等待再次運行。該狀態寫“READY”狀態相似，但由于是內部操作過程使一個循環任務被切換而被冠以標記。

　　圖1所示為任務狀態轉換圖。

2.2 同步機制

　　為了能保證任務在執行次序上的協調，必須采用同步機制。內核用以下事件進行任務間的通信和同步。

　　①SIGNAL：用于任務之間通信的位，可以用系統函數置位或清除。如果一個任務調用os_wait函數等待SIGNAL而SIGNAL未置位，則該任務被掛起直到SIGNAL置位，才返回到READY狀態，并可被再次執行。

　　②TIMEOUT：由os_wait函數開始的時間延時，其持續時間可由定時節拍數確定。帶 有TIMEOUT值調用os_wait函數的任務將被掛起，直到延時結束，才返回到READY狀態，并可被再次執行。

　　③INTERVAL：由os_wait函數開始的時間間隔，其間隔時間可由定時節拍數確定。帶有INTERVAL值調用os_wait函數的任務將被掛起，直到間隔時間結束，然后返回到READY狀態，并可被再次執行。與TIMEOUT不同的是，任務的節拍計數器不復位。

2.3 調度規則

　　RTX51 TINY使用8051內部定時器T0來產生定時節拍，各任務只在各自分配的定時節拍數（時間片）內執行。當時間片用完后，切換至下一任務運行，因此，各任務是并發執行的。

　　調度規則如下：如果且特定事件還沒有發生，②任務執行比循環切換所規定的時間長，則運行任務被中斷；如果①沒有其它任務正在運行，②任務處于“READY”或“TIMEOUT”狀態下等待運行，則另一個任務開始。

2.4 任務控制塊

　　為了能描述和控制任務的運行，內核為每個任務定義了稱作任務控制塊的數據結構，主要包括三項內容：

　　①ENTRY[task_id]：task_id任務的代碼入口地址，位于CODE空間，2字節為一個單位。

　　②STKP[taskid]：taskid任務所使用堆棧棧底位置，位于IDATA空間，1字節為一個單位。

　　③STATE[taskid].time和STATE[tasked].state：前者表示任務的定時節折計數器，在每一次定時節拍中斷后都自減一次；后者表示任務狀態寄存器，用其各個位來表示任務所處的狀態。位于IDATA空間，以2字節為一單位。

2.5 存儲器管理

　　內核使用了KEIL C51編譯器的對全局變量和局部變量采取靜態分配存儲空間的策略，因此存儲器管理簡化為堆棧管理。內核為每個任務都保留一個單獨的堆棧區，全部堆棧管理都在IDATA空間進行。為了給當前正在運行的任務分配盡可能大的棧區，所以各個任務所用的堆棧位置是動態的，并用STKP[taskid]來記錄各任務所用的堆棧位置是動態的，并用STKP[taskid]來記錄和任務堆棧棧底位置。當堆棧自由空間小于FREESTACK（默認為20）個字節時，就會調用宏STACK_ERROR，進行堆棧出錯處理。

　　在以下情況會進行堆棧管理：

　　*任務切換，將全部自由堆棧空間分配正在運行的任務；

　　*任務創建，將自由堆棧空間的2個字節，分配給新創新的任務task_id，并將ENTRY[task_id]，放入其堆棧；

　　*任務刪除，回收被刪除的任務task_id的堆棧空間，并轉換為自由堆棧空間。

　　堆棧管理如圖2所示。

3 代碼分析

　　內核代碼用匯編語言寫成，可讀性差，但代碼效率較高，主要由兩個源程序文件conf_tny.a51和rtxtny.a51組成。前者是一個配置文件，用來定義系統運行所需要的全局變量和堆棧出錯的宏STACK_ERROR，這些全變量和宏，用戶都可以根據自己的系統配置靈活修改；后者是系統內核，完成系統調用的所有函數。

3.1 主程序main

　　主程序main的主要任務是初始化各任務堆棧棧底指針STKP、狀態字STATE和定時器T0，創建任務0并將其導入運行隊列。這個過程加上KEIL C51的啟動代碼CSTARTUP正是一般嵌入式系統中BSP所作的工作。

3.2 定時器T0中斷服務程序

　　內核使用定時器T0作為定時節拍發生器，是任務切換、時間片輪轉的依據。中斷服務程序有三個任務。

　　①更新各個任務節拍數：將STATE[taskid].timer減1，如果某任務超時（STATE[taskid].timer=0），并且該任務正在等待超時事件，則將該任務置為“READY”狀態，使其返回任務隊列。

　　②檢查自由堆棧空間：若自由堆棧空間范圍小于FREESTACK（默認為20字節）時，可以調用宏STACK_ERROR，進行堆棧出錯處理。

　　③檢查當前任務（處于RUNNING狀態）的時間片是否到時。若當前任務的時間片到時，將程序轉到任務切換程序段（taskswitching）切換下一任務運行。

　　程序流程如圖3所示。

3.3 任務切換程序段

　　這個程序段是整個內核中最核心的一們，主要功能是完成任務切換。它共有兩個入口TASKSWITCHING和SWITCHINGNOW。前者供定時器T0的中斷服務程序調用，后能供系統函數os_delete和os_wait調用。相應也有兩個不同的出口。

　　其基本工作流程是首先將當前任務置為“TIME OUT”狀態，等待下一次時間片循環，其次找到下一個處于“READY”狀態的任務并使其成為當前任務。然后進行堆棧管理，將自由堆棧空間分配給該任務。清除使該任務進入“READY”或“TIMEOUT”狀態的相關位后，執行該任務。流程框圖如圖4所示。

3.4 os_wait程序段

　　主要完成os_wait函數。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（switchingnow）切換到下一任務。

3.5 其它程序段

　　其它程序段主要完成os_create_task、os_delete_task函數和有關信號處理的os_send_signal、isr_send_signal、os_clear_signal函數。這些函數功能相對比較簡單，主要是根據上述存儲器管理策略進行堆棧的分配和刪除，并改變任務字STATE[tasked].state，使任務處于不同的狀態。

　　以上所有程序段，若涉及到任務狀態字操作，必須關中斷，以防止和定時器T0同時操作任務狀態字。

結語

　　以上分析可以看到這個內核簡潔高效，非常適合于運行在資源較少的單片機上。根據其設計思想，我們也很容易把它移植到其它單片機上。但是它也有缺陷，例如：不支持外部任務切換；不支持用戶使用定時器T0等。這些缺陷的存在，限制了任務切換的靈活性。