前 言

51系列單片機(jī)是美國(guó)Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機(jī)，在我國(guó)的應(yīng)用非常廣泛。目前，在軟件設(shè)計(jì)中需要軟件工程師從底層做起，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面需要做大量的重復(fù)性勞動(dòng)。如果開(kāi)發(fā)一套基于51系列單片機(jī)的操作系統(tǒng)，那么用戶(hù)只需要編寫(xiě)各個(gè)任務(wù)的程序，不必同時(shí)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(xiě)的工作量，而且減少了出錯(cuò)的可能性。

1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇和論證

開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選擇至關(guān)重要，因?yàn)橛袝r(shí)它不光影響進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量、可維護(hù)性等一般問(wèn)題，還涉及到方案的可實(shí)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(tái)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(lái)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(xiàn)功能上獨(dú)樹(shù)一幟，其產(chǎn)品常用于工作環(huán)境惡劣場(chǎng)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(duì)實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了充分挖掘單片機(jī)的潛能(尤其是在實(shí)時(shí)性方面)，也是為了簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)的過(guò)程，基于51系列單片機(jī)的實(shí)時(shí)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(gè)基于51系列單片機(jī)的有實(shí)用價(jià)值的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但該操作系統(tǒng)是一個(gè)源碼不公開(kāi)的收費(fèi)軟件。

其次，借助于Keil C51的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，完全可以開(kāi)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(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的Windows界面集成開(kāi)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(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)，更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼，而且用C語(yǔ)言可以打開(kāi)和關(guān)閉中斷。

2 開(kāi)發(fā)51單片機(jī)操作系統(tǒng)應(yīng)注意的問(wèn)題

(1)操作系統(tǒng)軟件的代碼不能太長(zhǎng)

因?yàn)?1系列單片機(jī)的系統(tǒng)硬件資源相對(duì)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(hù)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(shí)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(kāi)發(fā)一個(gè)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(gè)操作系統(tǒng)用掉了幾十KB，占空間不算，實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì)恐怕也沒(méi)了(執(zhí)行這么多的指令要時(shí)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(gè)或者256個(gè)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(wú)幾，那用戶(hù)的應(yīng)用程序用什么? 如果說(shuō)用戶(hù)的程序可以把變量定義在片外RAM中的話(huà)，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(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)的話(huà)就要少用它的片內(nèi)RAM。但是不用片內(nèi)RAM是辦不到的，因?yàn)椴僮飨到y(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(guò)寄存器和存儲(chǔ)器的,不能通過(guò)堆棧。但是可以通過(guò)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(wèn)題

開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)占先式的操作系統(tǒng)，可重入函數(shù)是非用不可的?？芍厝牒瘮?shù)可以被一個(gè)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(shí)候都可以被中斷，一段時(shí)間后又可以運(yùn)行，而應(yīng)用數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。使得函數(shù)具有可重入性必須使得函數(shù)能夠滿(mǎn)足下列三個(gè)條件之一：
① 不使用共享資源；
② 在使用共享資源時(shí)關(guān)中斷，使用完畢后再開(kāi)中斷；
③ 在使用共享資源時(shí)申請(qǐng)信號(hào)量，使用完后釋放信號(hào)量。

這些條件在標(biāo)準(zhǔn)C中編程很容易實(shí)現(xiàn)，但是在Keil C51中就比較麻煩。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)C是把局部變量分配到用戶(hù)堆棧中(動(dòng)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(guò)變量覆蓋分析的方法，使多個(gè)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(wèn)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(guò)對(duì)任務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度來(lái)完成系統(tǒng)的功能。任務(wù)調(diào)度過(guò)程中，不可避免的發(fā)生任務(wù)對(duì)系統(tǒng)資源的搶占問(wèn)題，因?yàn)橄到y(tǒng)中 CPU只有一個(gè)，而每個(gè)任務(wù)都認(rèn)為自己是CPU的絕對(duì)占用者，每一個(gè)任務(wù)都是一個(gè)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(jí)，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以通過(guò)任務(wù)調(diào)度函數(shù)或者中斷退出函數(shù)等來(lái)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(jí)在當(dāng)前就緒任務(wù)表中最高時(shí)，才能從被中斷處繼續(xù)運(yùn)行。這就需要為每個(gè)任務(wù)分配任務(wù)堆棧，來(lái)保存任務(wù)的環(huán)境變量。由于每個(gè)任務(wù)在不同時(shí)刻被中斷時(shí)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(wèn)題也是一門(mén)學(xué)問(wèn)。

3 一些解決問(wèn)題的技巧

(1)片內(nèi)RAM占用問(wèn)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(huà)，用戶(hù)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(huì)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)只能用來(lái)做些演示實(shí)驗(yàn)，但并不實(shí)用。一個(gè)有實(shí)用價(jià)值的基于51系列單片機(jī)的實(shí)時(shí)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(lèi)單片機(jī)把片外的RAM集成到芯片內(nèi)，使用MOVX指令來(lái)訪(fǎng)問(wèn)這些RAM。如果用戶(hù)不想通過(guò)三總線(xiàn)來(lái)擴(kuò)展片外RAM的話(huà)，可以選用這種帶有輔助RAM的單片機(jī)。此外，因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)要用到一些全局變量，鑒于處理的速度問(wèn)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(lái)決定把哪些移到片外，哪些留在片內(nèi)。別小看這幾個(gè)字節(jié)的節(jié)約，在51 系列單片機(jī)上效果會(huì)很明顯。筆者認(rèn)為在這種資源相對(duì)匱乏的單片機(jī)上，開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)的最高境界應(yīng)該是開(kāi)發(fā)一個(gè)綠色的操作系統(tǒng)，用戶(hù)在應(yīng)用操作系統(tǒng)時(shí)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(wèn)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(guò)寄存器來(lái)完成，這樣可以用一般的方法來(lái)編寫(xiě)函數(shù)，使得函數(shù)具有重入性。如果實(shí)在是寄存器不夠用的話(huà)，可以動(dòng)用硬件堆棧來(lái)保存這些局部變量。

(3)堆棧分配問(wèn)題的解決

鑒于各個(gè)任務(wù)對(duì)于任務(wù)堆棧大小的要求不同，即使同一個(gè)任務(wù)在不同的時(shí)刻被中斷，它對(duì)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(gè)字節(jié)，用來(lái)統(tǒng)計(jì)任務(wù)堆棧中有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。單片機(jī)的片內(nèi)RAM中，堆棧的棧底也做一個(gè)標(biāo)志，當(dāng)任務(wù)切換時(shí)，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(kāi)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。

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(gè)寄存器。這個(gè)過(guò)程就完成了任務(wù)的切換。

結(jié) 語(yǔ)

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(kāi)發(fā)中，可能遇到的幾個(gè)問(wèn)題和它們的解決辦法。這些想法都是筆者在學(xué)習(xí)和實(shí)踐中得來(lái)的，相信能夠?qū)氖孪嗤ぷ鞯娜藛T有一定啟發(fā)。

參考文獻(xiàn)
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