KEIL RTX51 TINY內(nèi)核的分析與應(yīng)用
摘要:簡(jiǎn)要介紹RTX51 TINY的基本情況和使用方法;詳細(xì)分析這個(gè)內(nèi)核的任務(wù)管理和內(nèi)存管理的運(yùn)行機(jī)制,并給出其主要代碼流程圖。
關(guān)鍵詞:單片機(jī) 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的RTX51
1 RTX51簡(jiǎn)介
1.1 RTX51 TINY特性
RTX51是KEIL公司開發(fā)的用于8051系列單片機(jī)的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它有兩個(gè)版本,RTX51 FULL和RTX51 TINY。
RTX51 TINY是RTX51 FULL的子集,僅支持按時(shí)間片循環(huán)任務(wù)調(diào)度,支持任務(wù)間信號(hào)傳遞,最大16個(gè)任務(wù),可以并行地利用中斷。具有以下等待操作:超時(shí)、另一個(gè)任務(wù)或中斷的信號(hào)。但它不能進(jìn)行信息處理,不支持存儲(chǔ)區(qū)的分配和釋放,不支持占先式調(diào)度。RTX51 TINY一個(gè)很小的內(nèi)核,完全集成在KEIL C51編譯器中。更重要的是,它僅占用800字節(jié)左右的程序存儲(chǔ)空間,可以在沒有外放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的8051系統(tǒng)中運(yùn)行,但應(yīng)用程序仍然可以訪問外部存儲(chǔ)器。RTX51 TINY下文簡(jiǎn)稱為內(nèi)核。
1.2 RTX51 TINY的使用
內(nèi)核完全集成在KEIL C51編譯器中,以系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用的方式運(yùn)行,因此可以很容易地使用KEIL C51語言編寫和編譯一個(gè)多任務(wù)程序,并嵌入到實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中。內(nèi)核提供以下函數(shù)供應(yīng)用程序引用:
?、賑har os_create_task(task_id);
?、赾har os_delete_task(task_id);
③char os_send_signal(task_id);
?、躢har isr_send_signal(task_id);
?、輈har os_clear_signal(task_id);
?、辌har os_running_task_id(void);
⑦char os_wait(event_sel,ticks,dummy)。
各函數(shù)的函數(shù)原型和具體意義。
2 RTX51 TINY內(nèi)核分析
2.1 任務(wù)狀態(tài)
RTX51 TINY的用戶任務(wù)具有以下幾個(gè)狀態(tài)。
*RUNNING:任務(wù)處于運(yùn)行中,同一時(shí)間只有一個(gè)任務(wù)可以處于“RUNNING”狀態(tài)。
*READY:任務(wù)正在等待運(yùn)行,在當(dāng)前運(yùn)行的任務(wù)時(shí)間片完成之后,RTX51 TINY運(yùn)行下一個(gè)處于“READY”狀態(tài)的任務(wù)。
*WAITING:任務(wù)等待一個(gè)事件。如果所等待的事件發(fā)生的話,任務(wù)進(jìn)入“READY”狀態(tài)。
*DELETED:任務(wù)不處于執(zhí)行隊(duì)列。
*TIME OUT:任務(wù)由于時(shí)間片用完而處于“TIME OUT”狀態(tài),并等待再次運(yùn)行。該狀態(tài)寫“READY”狀態(tài)相似,但由于是內(nèi)部操作過程使一個(gè)循環(huán)任務(wù)被切換而被冠以標(biāo)記。
圖1所示為任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。
2.2 同步機(jī)制
為了能保證任務(wù)在執(zhí)行次序上的協(xié)調(diào),必須采用同步機(jī)制。內(nèi)核用以下事件進(jìn)行任務(wù)間的通信和同步。
?、賁IGNAL:用于任務(wù)之間通信的位,可以用系統(tǒng)函數(shù)置位或清除。如果一個(gè)任務(wù)調(diào)用os_wait函數(shù)等待SIGNAL而SIGNAL未置位,則該任務(wù)被掛起直到SIGNAL置位,才返回到READY狀態(tài),并可被再次執(zhí)行。
?、赥IMEOUT:由os_wait函數(shù)開始的時(shí)間延時(shí),其持續(xù)時(shí)間可由定時(shí)節(jié)拍數(shù)確定。帶 有TIMEOUT值調(diào)用os_wait函數(shù)的任務(wù)將被掛起,直到延時(shí)結(jié)束,才返回到READY狀態(tài),并可被再次執(zhí)行。
?、跧NTERVAL:由os_wait函數(shù)開始的時(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os_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),并可被再次執(zhí)行。與TIMEOUT不同的是,任務(wù)的節(jié)拍計(jì)數(shù)器不復(fù)位。
2.3 調(diào)度規(guī)則
RTX51 TINY使用8051內(nèi)部定時(shí)器T0來產(chǎn)生定時(shí)節(jié)拍,各任務(wù)只在各自分配的定時(shí)節(jié)拍數(shù)(時(shí)間片)內(nèi)執(zhí)行。當(dāng)時(shí)間片用完后,切換至下一任務(wù)運(yùn)行,因此,各任務(wù)是并發(fā)執(zhí)行的。
調(diào)度規(guī)則如下:如果且特定事件還沒有發(fā)生,②任務(wù)執(zhí)行比循環(huán)切換所規(guī)定的時(shí)間長(zhǎng),則運(yùn)行任務(wù)被中斷;如果①?zèng)]有其它任務(wù)正在運(yùn)行,②任務(wù)處于“READY”或“TIMEOUT”狀態(tài)下等待運(yùn)行,則另一個(gè)任務(wù)開始。
2.4 任務(wù)控制塊
為了能描述和控制任務(wù)的運(yùn)行,內(nèi)核為每個(gè)任務(wù)定義了稱作任務(wù)控制塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),主要包括三項(xiàng)內(nèi)容:
①ENTRY[task_id]:task_id任務(wù)的代碼入口地址,位于CODE空間,2字節(jié)為一個(gè)單位。
?、赟TKP[taskid]:taskid任務(wù)所使用堆棧棧底位置,位于IDATA空間,1字節(jié)為一個(gè)單位。
③STATE[taskid].time和STATE[tasked].state:前者表示任務(wù)的定時(shí)節(jié)折計(jì)數(shù)器,在每一次定時(shí)節(jié)拍中斷后都自減一次;后者表示任務(wù)狀態(tài)寄存器,用其各個(gè)位來表示任務(wù)所處的狀態(tài)。位于IDATA空間,以2字節(jié)為一單位。
2.5 存儲(chǔ)器管理
內(nèi)核使用了KEIL C51編譯器的對(duì)全局變量和局部變量采取靜態(tài)分配存儲(chǔ)空間的策略,因此存儲(chǔ)器管理簡(jiǎn)化為堆棧管理。內(nèi)核為每個(gè)任務(wù)都保留一個(gè)單獨(dú)的堆棧區(qū),全部堆棧管理都在IDATA空間進(jìn)行。為了給當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)分配盡可能大的棧區(qū),所以各個(gè)任務(wù)所用的堆棧位置是動(dòng)態(tài)的,并用STKP[taskid]來記錄各任務(wù)所用的堆棧位置是動(dòng)態(tài)的,并用STKP[taskid]來記錄和任務(wù)堆棧棧底位置。當(dāng)堆棧自由空間小于FREESTACK(默認(rèn)為20)個(gè)字節(jié)時(shí),就會(huì)調(diào)用宏STACK_ERROR,進(jìn)行堆棧出錯(cuò)處理。
在以下情況會(huì)進(jìn)行堆棧管理:
*任務(wù)切換,將全部自由堆??臻g分配正在運(yùn)行的任務(wù);
*任務(wù)創(chuàng)建,將自由堆??臻g的2個(gè)字節(jié),分配給新創(chuàng)新的任務(wù)task_id,并將ENTRY[task_id],放入其堆棧;
*任務(wù)刪除,回收被刪除的任務(wù)task_id的堆??臻g,并轉(zhuǎn)換為自由堆??臻g。
堆棧管理如圖2所示。
3 代碼分析
內(nèi)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(gè)源程序文件conf_tny.a51和rtxtny.a51組成。前者是一個(gè)配置文件,用來定義系統(tǒng)運(yùn)行所需要的全局變量和堆棧出錯(cuò)的宏STACK_ERROR,這些全變量和宏,用戶都可以根據(jù)自己的系統(tǒng)配置靈活修改;后者是系統(tǒng)內(nèi)核,完成系統(tǒng)調(diào)用的所有函數(shù)。
3.1 主程序main
主程序main的主要任務(wù)是初始化各任務(wù)堆棧棧底指針STKP、狀態(tài)字STATE和定時(shí)器T0,創(chuàng)建任務(wù)0并將其導(dǎo)入運(yùn)行隊(duì)列。這個(gè)過程加上KEIL C51的啟動(dòng)代碼CSTARTUP正是一般嵌入式系統(tǒng)中BSP所作的工作。
3.2 定時(shí)器T0中斷服務(wù)程序
內(nèi)核使用定時(shí)器T0作為定時(shí)節(jié)拍發(fā)生器,是任務(wù)切換、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的依據(jù)。中斷服務(wù)程序有三個(gè)任務(wù)。
?、俑赂鱾€(gè)任務(wù)節(jié)拍數(shù):將STATE[taskid].timer減1,如果某任務(wù)超時(shí)(STATE[taskid].timer=0),并且該任務(wù)正在等待超時(shí)事件,則將該任務(wù)置為“READY”狀態(tài),使其返回任務(wù)隊(duì)列。
?、跈z查自由堆??臻g:若自由堆??臻g范圍小于FREESTACK(默認(rèn)為20字節(jié))時(shí),可以調(diào)用宏STACK_ERROR,進(jìn)行堆棧出錯(cuò)處理。
?、蹤z查當(dāng)前任務(wù)(處于RUNNING狀態(tài))的時(shí)間片是否到時(shí)。若當(dāng)前任務(wù)的時(shí)間片到時(shí),將程序轉(zhuǎn)到任務(wù)切換程序段(taskswitching)切換下一任務(wù)運(yùn)行。
程序流程如圖3所示。
3.3 任務(wù)切換程序段
這個(gè)程序段是整個(gè)內(nèi)核中最核心的一們,主要功能是完成任務(wù)切換。它共有兩個(gè)入口TASKSWITCHING和SWITCHINGNOW。前者供定時(shí)器T0的中斷服務(wù)程序調(diào)用,后能供系統(tǒng)函數(shù)os_delete和os_wait調(diào)用。相應(yīng)也有兩個(gè)不同的出口。
其基本工作流程是首先將當(dāng)前任務(wù)置為“TIME OUT”狀態(tài),等待下一次時(shí)間片循環(huán),其次找到下一個(gè)處于“READY”狀態(tài)的任務(wù)并使其成為當(dāng)前任務(wù)。然后進(jìn)行堆棧管理,將自由堆??臻g分配給該任務(wù)。清除使該任務(wù)進(jìn)入“READY”或“TIMEOUT”狀態(tài)的相關(guān)位后,執(zhí)行該任務(wù)。流程框圖如圖4所示。
3.4 os_wait程序段
主要完成os_wait函數(shù)。任務(wù)調(diào)用os_wait函數(shù),掛起當(dāng)前任務(wù),等待一個(gè)或幾個(gè)間隔(K_IVL)、超時(shí)(K_TMO)、信號(hào)(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(dāng)前任務(wù);如果所等待的事件沒有發(fā)生,則置相應(yīng)的等待標(biāo)志后,掛起該任務(wù),轉(zhuǎn)任務(wù)切換程序段(switchingnow)切換到下一任務(wù)。
3.5 其它程序段
其它程序段主要完成os_create_task、os_delete_task函數(shù)和有關(guān)信號(hào)處理的os_send_signal、isr_send_signal、os_clear_signal函數(shù)。這些函數(shù)功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單,主要是根據(jù)上述存儲(chǔ)器管理策略進(jìn)行堆棧的分配和刪除,并改變?nèi)蝿?wù)字STATE[tasked].state,使任務(wù)處于不同的狀態(tài)。
以上所有程序段,若涉及到任務(wù)狀態(tài)字操作,必須關(guān)中斷,以防止和定時(shí)器T0同時(shí)操作任務(wù)狀態(tài)字。
結(jié)語
以上分析可以看到這個(gè)內(nèi)核簡(jiǎn)潔高效,非常適合于運(yùn)行在資源較少的單片機(jī)上。根據(jù)其設(shè)計(jì)思想,我們也很容易把它移植到其它單片機(jī)上。但是它也有缺陷,例如:不支持外部任務(wù)切換;不支持用戶使用定時(shí)器T0等。這些缺陷的存在,限制了任務(wù)切換的靈活性。
評(píng)論