51單片機操作系統(tǒng)開發(fā)中的問題與技巧

引 言

51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機，在我國的應(yīng)用非常廣泛。目前，在軟件設(shè)計中需要軟件工程師從底層做起，在系統(tǒng)軟件設(shè)計方面需要做大量的重復(fù)性勞動。如果開發(fā)一套基于51系列單片機的操作系統(tǒng)，那么用戶只需要編寫各個任務(wù)的程序，不必同時將所有任務(wù)運行的各種情況記在心中，不但大大減少了程序編寫的工作量，而且減少了出錯的可能性。

1 開發(fā)平臺的選擇和論證

開發(fā)平臺的選擇至關(guān)重要，因為有時它不光影響進度、產(chǎn)品質(zhì)量、可維護性等一般問題，還涉及到方案的可實現(xiàn)性。

在本系統(tǒng)中，選擇51系列單片機作為操作系統(tǒng)的運行平臺有以下原因。

首先，51系列單片機應(yīng)用非常廣泛，一大批性能優(yōu)越的51兼容單片機相繼推出。這里包括：低功耗、高速度和增強型的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功能上獨樹一幟，其產(chǎn)品常用于工作環(huán)境惡劣場合的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)并且對實時性要求嚴(yán)格的系統(tǒng)設(shè)計中，為了充分挖掘單片機的潛能(尤其是在實時性方面)，也是為了簡化開發(fā)的過程，基于51系列單片機的實時操作系統(tǒng)的需求就十分強烈了。Keil公司的RTX51 Full就是一個基于51系列單片機的有實用價值的實時操作系統(tǒng)，但該操作系統(tǒng)是一個源碼不公開的收費軟件。

其次，借助于Keil C51的集成開發(fā)環(huán)境，完全可以開發(fā)出適用于51系列單片機的操作系統(tǒng)代碼。

Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的Windows界面集成開發(fā)調(diào)試工具。

另外重要的一點， Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時，更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼，而且用C語言可以打開和關(guān)閉中斷。

2 開發(fā)51單片機操作系統(tǒng)應(yīng)注意的問題

(1)操作系統(tǒng)軟件的代碼不能太長

因為51系列單片機的系統(tǒng)硬件資源相對匱乏，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，原因是代碼太大。開發(fā)一個5000行的基于裸機的應(yīng)用程序也就是占用 7~8KB ROM空間，一個操作系統(tǒng)用掉了幾十KB，占空間不算，實時性的優(yōu)勢恐怕也沒了(執(zhí)行這么多的指令要時間)。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系列單片機只有128個或者256個字節(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使用得所剩無幾，那用戶的應(yīng)用程序用什么? 如果說用戶的程序可以把變量定義在片外RAM中的話，那么系統(tǒng)的硬件堆棧放在哪? 眾所周知，51系列單片機的硬件堆棧不能放在片外，所以要在51系列單片機上開發(fā)操作系統(tǒng)的話就要少用它的片內(nèi)RAM。但是不用片內(nèi)RAM是辦不到的，因為操作系統(tǒng)也要傳遞參數(shù)，也要使用堆棧。C51單片機的C函數(shù)傳遞參數(shù)是通過寄存器和存儲器的,不能通過堆棧。但是可以通過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)的重入問題

開發(fā)實時占先式的操作系統(tǒng)，可重入函數(shù)是非用不可的?？芍厝牒瘮?shù)可以被一個以上的任務(wù)調(diào)用，而不必擔(dān)心數(shù)據(jù)被破壞?？芍厝牒瘮?shù)任何時候都可以被中斷，一段時間后又可以運行，而應(yīng)用數(shù)據(jù)不會丟失。使得函數(shù)具有可重入性必須使得函數(shù)能夠滿足下列三個條件之一：
① 不使用共享資源；
② 在使用共享資源時關(guān)中斷，使用完畢后再開中斷；
③ 在使用共享資源時申請信號量，使用完后釋放信號量。

這些條件在標(biāo)準(zhǔn)C中編程很容易實現(xiàn)，但是在Keil C51中就比較麻煩。因為標(biāo)準(zhǔn)C是把局部變量分配到用戶堆棧中(動態(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)，并通過變量覆蓋分析的方法，使多個函數(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)堆棧的分配問題

占先式操作系統(tǒng)的主要任務(wù)就是進行任務(wù)的調(diào)度，通過對任務(wù)的實時調(diào)度來完成系統(tǒng)的功能。任務(wù)調(diào)度過程中，不可避免的發(fā)生任務(wù)對系統(tǒng)資源的搶占問題，因為系統(tǒng)中 CPU只有一個，而每個任務(wù)都認(rèn)為自己是CPU的絕對占用者，每一個任務(wù)都是一個死循環(huán)。任務(wù)間進行切換的依據(jù)就是各自的優(yōu)先級，一個高優(yōu)先級的任務(wù)可以通過任務(wù)調(diào)度函數(shù)或者中斷退出函數(shù)等來中止正在運行的任務(wù)。被中斷的任務(wù)只有自己的優(yōu)先級在當(dāng)前就緒任務(wù)表中最高時，才能從被中斷處繼續(xù)運行。這就需要為每個任務(wù)分配任務(wù)堆棧，來保存任務(wù)的環(huán)境變量。由于每個任務(wù)在不同時刻被中斷時需要保存的環(huán)境變量數(shù)目不同，所以任務(wù)堆?？臻g的分配問題也是一門學(xué)問。

3 一些解決問題的技巧

(1)片內(nèi)RAM占用問題的解決

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，用戶應(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系列單片機的實時操作系統(tǒng)只能用來做些演示實驗，但并不實用。一個有實用價值的基于51系列單片機的實時操作系統(tǒng)必須在512字節(jié)以上的RAM環(huán)境中運行。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，這類單片機把片外的RAM集成到芯片內(nèi)，使用MOVX指令來訪問這些RAM。如果用戶不想通過三總線來擴展片外RAM的話，可以選用這種帶有輔助RAM的單片機。此外，因為操作系統(tǒng)要用到一些全局變量，鑒于處理的速度問題又不想把它們?nèi)康姆旁谄猓蔷涂梢愿鶕?jù)這些全局變量應(yīng)用的頻繁程度來決定把哪些移到片外，哪些留在片內(nèi)。別小看這幾個字節(jié)的節(jié)約，在51 系列單片機上效果會很明顯。筆者認(rèn)為在這種資源相對匱乏的單片機上，開發(fā)操作系統(tǒng)的最高境界應(yīng)該是開發(fā)一個綠色的操作系統(tǒng)，用戶在應(yīng)用操作系統(tǒng)時可以用的系統(tǒng)資源應(yīng)該和基于裸機編程差不多。