基于RTX51实时操作系统的用户专用键盘软件设计

摘要：随着单片机应用的扩展，原有的编程思想难以满足复杂多任务系统的要求，为此将操作系统引入单片机软件设计。文章在用户专用键盘软件开发中引入PTX51实时操作系统，介绍了整个系统的任务分配，分析了各个任务的运行机制，并给出流程图及主要程序代码。通过采用RTX51实时操作系统，不仅提高了软件开发效率，而且控制方案更加科学合理。
关键词：RTX51；多任务；单片机；软件设计

0 引言
传统的用户专用键盘单片机软件采用结构化设计方法，主程序循环执行，依次完成按键扫描、按键处理、串口命令接收、串口命令处理等任务。由于任务的数量少，并且每个任务执行的操作简单，此种设计可以使得软件较好地满足功能要求。但仔细分析，会发现程序一些可以改进的地方，如：执行时间短的任务不得不排队等待执行时间长的任务的完成。此外，如果用户的设计要求发生变化(如：专用键盘功能增加、按键数量增多、串口协议复杂化等)，原有的编程思想将很难满足要求，程序因此无法进行移植升级而不得不重新开发。
基于RTX51实时操作系统进行单片机软件设计，可以真正做到各任务并行执行，同时，由于程序结构更加科学合理，可以方便地实现修改升级，以满足功能较多的设计要求。

1 用户专用键盘简介
用户专用键盘多使用在工业控制场合，它由按键和指示灯组成，对外采用RS232接口，当某个按键按下时，键盘将命令(码值)发送计算机，同时，键盘接收来自计算机的命令(码值)点亮(熄灭)某个指示灯，以指示系统工作状态，从而实现快速人机交互。用户专用键盘硬件原理框图如图1所示。

图中，可编程逻辑芯片实现单片机输出接口扩展，其内部包含多个输出锁存器。工作时，单片机输出的地址信号经可编程芯片内部译码器译码产生片选信号，使能不同的输出锁存器，将数据信号输出控制各个指示灯的亮／灭。

2 RTX51实时操作系统介绍
RTX51是德国Keil公司开发的一种应用于MCS51系列单片机的实时多任务操作系统，它有两个版本，RTX51 Full和RTX51 Tiny，本文采用
RTX51 Tiny进行软件设计。RTX51 Tiny是一个很小的内核，完全集成在Keil C51编译器中，它可以很容易地运行在没有扩展外部存储器的单片机系统上，并且仅占用800字节左右的程序存储空间。
RTX51 Tiny允许最大16个任务循环切换，在实现上，它采用时间片轮转算法，系统每次调度时，把CPU分配给一个就绪的任务，并令其执行一个时间片，构成微观上轮流运行、宏观上并行执行的多任务效果。RTX51 Tiny支持任务间的信号传递，还能并行地利用中断功能。
RTX51 Tiny的用户任务主要具有以下几个状态：
·运行(RUNNING)：任务正处于运行中。同一时刻只有一个任务可以处于“RUNNING”状态。
·准备好(READY)：等待运行的任务处于“READY”状态。在当前运行的任务退出运行状态后，就绪队列中的任务根据调度策略被调度执行，进入到运行状态。
·等待(BLOcKED)：等待一个事件的任务处于“BLOCKED”状态。如果等待的事件发生，则此任务进入“READY”状态，等待被调度。
RTX51 Tiny内核用以下事件进行任务问的通信和同步：
·超时(TIMEOUT)：由OS-wait函数调用引发的时间延时，持续时间可由定时节拍数确定。带有TIMEOUT值调用OS-it函数的任务将被挂起，直到延时结束，才返回到“READY”。
·间隔(INTERVAL)：由OS-wait函数调用引发的时间间隔，其间隔时间可由定时节拍数确定。带有INTERVAL值调用wait函数的任务将被挂起，直到间隔时间结束，然后返回到READY状态。与TIMEOUT不同的是，任务的节拍计数器不复位，典型应用是产生时钟。
·信号(SIGNAL)：系统定义的位变量，可以由系统函数置位或清除。可以调用OS-wait函数暂停一个任务并等待从另一任务发出的信号，这可以用于协调两个或更多的任务。如果某个任务在等待一个信号并且信号标志为0，则在收到这个信号之前，这个任务将一直处于挂起状态。如果信号标志已经被置1，则当任务查询信号时，信号标志会被清除，任务将可以被继续执行。

3 用户专用键盘软件设计
3．1 任务分配
根据前面对用户专用键盘功能的描述，它主要实现以下两个功能：
(1)按键处理；
(2)串口数据处理。
其中功能(1)又可细分为以下三个任务：
任务1：按键状态扫描；
任务2：按键码值查询；
任务3：串口发送；
同样，功能(2)也可细分为以下两个任务：
任务4：串口接收；
任务5：串口数据处理；
以上两个功能需要并行运行，而内部的子任务之间为前级驱动后级的关系，在程序实际运行过程中，功能二(2)的任意子任务可能与功能(1)的任务1或任务2或任务3处于同时并行运行状态，鉴于此，需要在程序设计时创建5个子任务。
采用时间轮询的方式决定了某个任务在执行完时间片后，在下一次执行前需要等待固定的时间，这个时间与系统的任务数及每个任务的执行时间密切相关，为避免数据丢失，串口接收任务应及时读取接收缓存器中的数据。由于中断处理过程与正在运行的任务是相互独立的，即中断处理过程在RTX51系统内核之外和任务切换规则没有关联，因此可以在串口中断服务程序中完成串口接收任务。另外，串口发送时要求将整个按键码值数据包一次性发送完毕，如果将串口发送过程在中断服务程序中完成，在SBUF缓存器发送完一个字节后触发串口发送中断标志，再次进入中断服务程序继续下一字节数据的发送，则可以方便地实现上述要求。根据以上分析，串口接收、串口发送两个子任务的功能在中断服务程序中完成，将系统子任务的个数由5个减少为3个，调整后的任务分配如下：
任务1：按键状态扫描(TASK SCAN)；
任务2：按键码值查询(TASK KEY)；
任务3：串口数据处理((TASK LIGHT))；
中断服务程序：串口接收、发送。
任务间信号关系如图2所示。