基于實時操作系統(tǒng)的單片機應用系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(shù)據(jù)存儲器的51單片機系統(tǒng)中運行。內核負責系統(tǒng)的初始化和開放、調度其它任務，根據(jù)各個任務的優(yōu)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(zhí)行的部分稱之為線程。所有的事件驅動和時間驅動都體現(xiàn)在設置相應的任務標識和線程標識。當硬件環(huán)境一定時，依據(jù)這些標識，通過安排系統(tǒng)內中斷響應方式和調整任務調度算法，采用設置環(huán)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(zhí)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(tài)、就緒態(tài)、等待和掛起、中斷服務程序。任何一個時刻，任務的狀態(tài)就是這四種狀態(tài)之一。為了節(jié)省內存，OS 不能動態(tài)的建立和刪除任務，用函數(shù)OSSTART()啟動多任務環(huán)境后，OS 就把所有的任務建立起來，并把它們設為就緒狀態(tài)，開始運行優(yōu)先級最高的任務。只有當所有的優(yōu)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(tài)。調度程序將“任務就緒表”中的最高優(yōu)先級別的任務作為下個要執(zhí)行的任務。

任務調用 os_wait 函數(shù)，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(jīng)發(fā)生，繼續(xù)執(zhí)行當前任務;如果所等待的事件沒有發(fā)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(zhí)行函數(shù)init ( )來給寄存器賦初值，調用函數(shù)OSSTart ( ) 來初始化每一個任務的堆棧并執(zhí)行第一個任務，而選擇第一個任務執(zhí)行的理由是該任務的優(yōu)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(jīng)過3步：創(chuàng)建消息隊列OSQCreate()，向消息隊列發(fā)消息OSQPost()，取消息OSQPend()。調用OSQPost ( )函數(shù)發(fā)送消息時，如果已經(jīng)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(shù)并不掛起當前任務，因此調用該函數(shù)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(xù)執(zhí)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(tǒng)框圖如下

該電子存包柜可以控制的最大貨物存儲箱數(shù)為 32 個，分左右各16 個箱子，上圖只畫出16 路控制?？刂菩酒捎肁T89C55 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(tài)。

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(fā)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(tài)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(tǒng)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(shù)，然后向從單片機發(fā)出指令，分配空箱并打印輸出存包條，給用戶。