基于RTX51的用戶專用鍵盤軟件設(shè)計(jì)

RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)，可以真正做到各任務(wù)并行執(zhí)行，同時(shí)，由于程序結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，可以方便地實(shí)現(xiàn)修改升級(jí)，以滿足功能較多的設(shè)計(jì)要求。

1 用戶專用鍵盤簡(jiǎn)介

用戶專用鍵盤多使用在工業(yè)控制場(chǎng)合，它由按鍵和指示燈組成，對(duì)外采用RS232接口，當(dāng)某個(gè)按鍵按下時(shí)，鍵盤將命令(碼值)發(fā)送計(jì)算機(jī)，同時(shí)，鍵盤接收來(lái)自計(jì)算機(jī)的命令(碼值)點(diǎn)亮(熄滅)某個(gè)指示燈，以指示系統(tǒng)工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)快速人機(jī)交互。用戶專用鍵盤硬件原理框圖如圖1所示。

圖中，可編程邏輯芯片實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出接口擴(kuò)展，其內(nèi)部包含多個(gè)輸出鎖存器。工作時(shí)，單片機(jī)輸出的地址信號(hào)經(jīng)可編程芯片內(nèi)部譯碼器譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)，使能不同的輸出鎖存器，將數(shù)據(jù)信號(hào)輸出控制各個(gè)指示燈的亮/滅。

2 RTX51實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)介紹

RTX51是德國(guó)Keil公司開發(fā)的一種應(yīng)用于MCS51系列單片機(jī)的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它有兩個(gè)版本，RTX51 Full和RTX51 Tiny，本文采用RTX51 Tiny進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。RTX51 Tiny是一個(gè)很小的內(nèi)核，完全集成在Keil C51編譯器中，它可以很容易地運(yùn)行在沒(méi)有擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的單片機(jī)系統(tǒng)上，并且僅占用800字節(jié)左右的程序存儲(chǔ)空間。

RTX51 Tiny允許最大16個(gè)任務(wù)循環(huán)切換，在實(shí)現(xiàn)上，它采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法，系統(tǒng)每次調(diào)度時(shí)，把CPU分配給一個(gè)就緒的任務(wù)，并令其執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片，構(gòu)成微觀上輪流運(yùn)行、宏觀上并行執(zhí)行的多任務(wù)效果。RTX51 Tiny支持任務(wù)間的信號(hào)傳遞，還能并行地利用中斷功能。

RTX51 Tiny的用戶任務(wù)主要具有以下幾個(gè)狀態(tài)：

·運(yùn)行(RUNNING)：任務(wù)正處于運(yùn)行中。同一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)可以處于“RUNNING”狀態(tài)。

·準(zhǔn)備好(READY)：等待運(yùn)行的任務(wù)處于“READY”狀態(tài)。在當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)退出運(yùn)行狀態(tài)后，就緒隊(duì)列中的任務(wù)根據(jù)調(diào)度策略被調(diào)度執(zhí)行，進(jìn)入到運(yùn)行狀態(tài)。

·等待(BLOcKED)：等待一個(gè)事件的任務(wù)處于“BLOCKED”狀態(tài)。如果等待的事件發(fā)生，則此任務(wù)進(jìn)入“READY”狀態(tài)，等待被調(diào)度。

RTX51 Tiny內(nèi)核用以下事件進(jìn)行任務(wù)問(wèn)的通信和同步：

·超時(shí)(TIMEOUT)：由OS-wait函數(shù)調(diào)用引發(fā)的時(shí)間延時(shí)，持續(xù)時(shí)間可由定時(shí)節(jié)拍數(shù)確定。帶有TIMEOUT值調(diào)用OS-it函數(shù)的任務(wù)將被掛起，直到延時(shí)結(jié)束，才返回到“READY”。

·間隔(INTERVAL)：由OS-wait函數(shù)調(diào)用引發(fā)的時(shí)間間隔，其間隔時(shí)間可由定時(shí)節(jié)拍數(shù)確定。帶有INTERVAL值調(diào)用wait函數(shù)的任務(wù)將被掛起，直到間隔時(shí)間結(jié)束，然后返回到READY狀態(tài)。與TIMEOUT不同的是，任務(wù)的節(jié)拍計(jì)數(shù)器不復(fù)位，典型應(yīng)用是產(chǎn)生時(shí)鐘。

·信號(hào)(SIGNAL)：系統(tǒng)定義的位變量，可以由系統(tǒng)函數(shù)置位或清除。可以調(diào)用OS-wait函數(shù)暫停一個(gè)任務(wù)并等待從另一任務(wù)發(fā)出的信號(hào)，這可以用于協(xié)調(diào)兩個(gè)或更多的任務(wù)。如果某個(gè)任務(wù)在等待一個(gè)信號(hào)并且信號(hào)標(biāo)志為0，則在收到這個(gè)信號(hào)之前，這個(gè)任務(wù)將一直處于掛起狀態(tài)。如果信號(hào)標(biāo)志已經(jīng)被置1，則當(dāng)任務(wù)查詢信號(hào)時(shí)，信號(hào)標(biāo)志會(huì)被清除，任務(wù)將可以被繼續(xù)執(zhí)行。

3 用戶專用鍵盤軟件設(shè)計(jì)

3.1 任務(wù)分配

根據(jù)前面對(duì)用戶專用鍵盤功能的描述，它主要實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)功能：

(1)按鍵處理;

(2)串口數(shù)據(jù)處理。

其中功能(1)又可細(xì)分為以下三個(gè)任務(wù)：

任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描;

任務(wù)2：按鍵碼值查詢;

任務(wù)3：串口發(fā)送;

同樣，功能(2)也可細(xì)分為以下兩個(gè)任務(wù)：

任務(wù)4：串口接收;

任務(wù)5：串口數(shù)據(jù)處理;

以上兩個(gè)功能需要并行運(yùn)行，而內(nèi)部的子任務(wù)之間為前級(jí)驅(qū)動(dòng)后級(jí)的關(guān)系，在程序?qū)嶋H運(yùn)行過(guò)程中，功能二(2)的任意子任務(wù)可能與功能(1)的任務(wù)1或任務(wù)2或任務(wù)3處于同時(shí)并行運(yùn)行狀態(tài)，鑒于此，需要在程序設(shè)計(jì)時(shí)創(chuàng)建5個(gè)子任務(wù)。

采用時(shí)間輪詢的方式?jīng)Q定了某個(gè)任務(wù)在執(zhí)行完時(shí)間片后，在下一次執(zhí)行前需要等待固定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間與系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)及每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間密切相關(guān)，為避免數(shù)據(jù)丟失，串口接收任務(wù)應(yīng)及時(shí)讀取接收緩存器中的數(shù)據(jù)。由于中斷處理過(guò)程與正在運(yùn)行的任務(wù)是相互獨(dú)立的，即中斷處理過(guò)程在RTX51系統(tǒng)內(nèi)核之外和任務(wù)切換規(guī)則沒(méi)有關(guān)聯(lián)，因此可以在串口中斷服務(wù)程序中完成串口接收任務(wù)。另外，串口發(fā)送時(shí)要求將整個(gè)按鍵碼值數(shù)據(jù)包一次性發(fā)送完畢，如果將串口發(fā)送過(guò)程在中斷服務(wù)程序中完成，在SBUF緩存器發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后觸發(fā)串口發(fā)送中斷標(biāo)志，再次進(jìn)入中斷服務(wù)程序繼續(xù)下一字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送，則可以方便地實(shí)現(xiàn)上述要求。根據(jù)以上分析，串口接收、串口發(fā)送兩個(gè)子任務(wù)的功能在中斷服務(wù)程序中完成，將系統(tǒng)子任務(wù)的個(gè)數(shù)由5個(gè)減少為3個(gè)，調(diào)整后的任務(wù)分配如下：

任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描(TASK SCAN);

任務(wù)2：按鍵碼值查詢(TASK KEY);

任務(wù)3：串口數(shù)據(jù)處理((TASK LIGHT));

中斷服務(wù)程序：串口接收、發(fā)送。

任務(wù)間信號(hào)關(guān)系如圖2所示。

如圖，任務(wù)1在檢測(cè)到按鍵狀態(tài)變化后向任務(wù)2發(fā)送信號(hào)，任務(wù)2隨后由等待狀態(tài)進(jìn)入“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，在本任務(wù)的下一個(gè)時(shí)間片，任務(wù)2開始進(jìn)行指定位置按鍵的碼值查詢，然后通過(guò)串口完成碼值發(fā)送。

同時(shí)，串口數(shù)據(jù)通過(guò)中斷服務(wù)程序接收，串口數(shù)據(jù)接收后即發(fā)送信號(hào)給任務(wù)3，使后者進(jìn)入“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，并在下一個(gè)時(shí)間片到來(lái)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

以上三個(gè)任務(wù)中，任務(wù)l始終處于“運(yùn)行”或“準(zhǔn)備好”狀態(tài)，任務(wù)2、任務(wù)3大多數(shù)時(shí)間處于“等待”狀態(tài)，任務(wù)2、任務(wù)3分別在接收到按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)、中斷服務(wù)程序的信號(hào)后被“喚起”。另有任務(wù)0，負(fù)責(zé)創(chuàng)建任務(wù)1、2、3，然后刪除自己。任務(wù)0簡(jiǎn)化程序如下所示：

#define INIT 0/*任務(wù)0：初始化及創(chuàng)建*/

#define SCAN 1/*任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描*/