51单片机操作系统开发中的问题与技巧

引 言

51系列单片机是美国Intel公司在1980年推出的高性能8位单片机，在我国的应用非常广泛。目前，在软件设计中需要软件工程师从底层做起，在系统软件设计方面需要做大量的重复性劳动。如果开发一套基于51系列单片机的操作系统，那么用户只需要编写各个任务的程序，不必同时将所有任务运行的各种情况记在心中，不但大大减少了程序编写的工作量，而且减少了出错的可能性。

1 开发平台的选择和论证

开发平台的选择至关重要，因为有时它不光影响进度、产品质量、可维护性等一般问题，还涉及到方案的可实现性。

在本系统中，选择51系列单片机作为操作系统的运行平台有以下原因。

首先，51系列单片机应用非常广泛，一大批性能优越的51兼容单片机相继推出。这里包括：低功耗、高速度和增强型的Philips公司的系列产品；完美地将Flash(非易失闪存技术)EEPROM与80C51内核结合起来的Atmel公司的系列产品；在抗干扰性能，电磁兼容和通信控制总线功能上独树一帜，其产品常用于工作环境恶劣场合的Siemens公司的系列产品以及一些其它公司的产品。既然产品如此丰富，性能如此优越，那么在处理多任务并且对实时性要求严格的系统设计中，为了充分挖掘单片机的潜能(尤其是在实时性方面)，也是为了简化开发的过程，基于51系列单片机的实时操作系统的需求就十分强烈了。Keil公司的RTX51 Full就是一个基于51系列单片机的有实用价值的实时操作系统，但该操作系统是一个源码不公开的收费软件。

其次，借助于Keil C51的集成开发环境，完全可以开发出适用于51系列单片机的操作系统代码。

Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的Windows界面集成开发调试工具。

另外重要的一点， Keil C51生成的目标代码效率非常高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时，更能体现高级语言的优势。C编译器能产生可重入代码，而且用C语言可以打开和关闭中断。

2 开发51单片机操作系统应注意的问题

(1)操作系统软件的代码不能太长

因为51系列单片机的系统硬件资源相对匮乏，如果操作系统的代码比应用程序的代码还大,甚至使得用户的应用程序要考虑给操作系统让出资源，这样的操作系统即使功能再完善，也不实用。现在流行的嵌入式操作系统就不能应用于51系列单片机，原因是代码太大。开发一个5000行的基于裸机的应用程序也就是占用 7~8KB ROM空间，一个操作系统用掉了几十KB，占空间不算，实时性的优势恐怕也没了(执行这么多的指令要时间)。所以，μCOS的作者也不支持将他的代码移植到51系列单片机上，这也就不奇怪了。

(2)操作系统不能占用太多的片内RAM空间

51系列单片机只有128个或者256个字节的片内RAM空间，稍微不注意就用完了。如果操作系统把片内的RAM使用得所剩无几，那用户的应用程序用什么? 如果说用户的程序可以把变量定义在片外RAM中的话，那么系统的硬件堆栈放在哪? 众所周知，51系列单片机的硬件堆栈不能放在片外，所以要在51系列单片机上开发操作系统的话就要少用它的片内RAM。但是不用片内RAM是办不到的，因为操作系统也要传递参数，也要使用堆栈。C51单片机的C函数传递参数是通过寄存器和存储器的,不能通过堆栈。但是可以通过一些措施使得操作系统代码少用片内RAM。

(3)解决好函数的重入问题

开发实时占先式的操作系统，可重入函数是非用不可的。可重入函数可以被一个以上的任务调用，而不必担心数据被破坏。可重入函数任何时候都可以被中断，一段时间后又可以运行，而应用数据不会丢失。使得函数具有可重入性必须使得函数能够满足下列三个条件之一：
① 不使用共享资源；
② 在使用共享资源时关中断，使用完毕后再开中断；
③ 在使用共享资源时申请信号量，使用完后释放信号量。

这些条件在标准C中编程很容易实现，但是在Keil C51中就比较麻烦。因为标准C是把局部变量分配到用户堆栈中(动态分配)，而Keil C51将局部变量分配到寄存器或内存固定地址(静态分配)，并通过变量覆盖分析的方法，使多个函数的局部变量使用相同的内存地址以减少内存占用。在 Keil C51中，如果局部变量分配在寄存器中还好些，如果局部变量分配在内存中就比较麻烦。

(4)堆栈的分配问题

占先式操作系统的主要任务就是进行任务的调度，通过对任务的实时调度来完成系统的功能。任务调度过程中，不可避免的发生任务对系统资源的抢占问题，因为系统中 CPU只有一个，而每个任务都认为自己是CPU的绝对占用者，每一个任务都是一个死循环。任务间进行切换的依据就是各自的优先级，一个高优先级的任务可以通过任务调度函数或