关于RTX51 TINY的分析与探讨

2008-06-05 10:22:45来源: EDNchina

  RTX51TINY是一种应用于MCS5l系列单片机的小型多任务实时操作系统。它完全集成在Keil C5l编译器中,具有运行速度快、对硬件要求不高、使用方便灵活等优点,因此越来越广泛地应用到单片机的软件开发中。它可以在单个CPU上管理几个作业(任务),同时可以在没有扩展外部存储器的单片机系统上运行。

  RTX51 TINY允许同时“准并行”地执行多个任务:各个任务并非持续运行,而是在预先设定的时间片(time slice)内执行。CPU执行时间被划分为若干时间片,RTX51 TINY为每个任务分配一个时间片,在一个时间片内允许执行某个任务,然后RTX51 TINY切换到另一个就绪的任务并允许它在其规定的时间片内执行。由于各个时间片非常短,通常只有几ms,因此各个任务看起来似乎就是被同时执行了。

  RTX51 TINY利用单片机内部定时器0的中断功能实现定时,用周期性定时中断驱动RTX51 TINY的时钟。它最多可以定义16个任务,所有的任务可以同时被激活,允许循环任务切换,仅支持非抢占式的任务切换,操作系统为每一个任务分配一个独立的堆栈区,在任务切换的同时改变堆栈的指针,并保存和恢复寄存器的值。RTX51 TINY没有专门的时间服务函数和任务挂起函数,而是通过os_wait()中的参数设定实现的。使用RTX51 TINY时用户程序中不需要包含main()函数,它会自动地从任务0开始运行。如果用户程序中包含有main()函数,则需要利用os_create_task函数来启动RTX51实时操作系统。

  2 任务切换

  2.1 RTX51 TINY任务状态

  RTX51 TINY的用户任务具有以下几个状态:

  ① 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。

  ② 就绪(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。

  ③ 阻塞(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。

  ④ 休眠(SLEEPING)——被声明过但没有开始运行的任务处于休眠状态。运行过但已经被删除的任务也处在休眠状态中。

  ⑤ 超时(TIMEOUT)——任务由于时间片用完而处于“TIMEOUT”状态,并等待再次运行。该状态与“READY”状态相似,但由于是内部操作过程使一个循环任务被切换,因而单独算作一个状态。

  处于“READY/TIMEOUT”、“RUNNING”和“BLOCKED”状态的任务被认为是激活的状态,三者之间可以进行切换。“SLEEPING”状态的任务是非激活的,不能被执行或认为已经终止。

  2.2 RTX51 TINY任务切换

  任务切换是RTX51 TINY提供的基本服务。RTX51 TINY是基于时间片调度算法的操作系统,它支持的是非抢占式的任务切换。所以在一个任务被执行时不能对其进行中断,除非该任务主动放弃CPU的资源,中断才可以打断当前的任务,中断完成后把CPU的控制权再交还该被中断的任务。任务切换有两种情况,一种是当前任务主动让出CPU资源;另一种情况是在当前任务的时间片已经用完的情况下,进行任务切换。CPU执行时间被分成若干个时间片,RTX51 TINY为每个任务分配一个时间片。时间片是通过对变量TIMESHARING的设置来确定的,即用“TIMESHARING EQU 5;”设置多少个系统时钟周期为一个时间片。系统默认5个系统时钟为一个时间片,如果晶振频率为11.0592 MHz,则时间片为10.8507×5=54.2535 ms。

  RTX51 TINY的任务切换共有TASKSWITCHINGSWITCHINGNOW两个入口,前者供定时器T0的中断服务程序调用,后者供系统函数os_delete和os_wait调用。相应地也有两个不同的出口,分别是恢复保护现场和清除状态标志位。系统首先将当前任务置为“TIMEOUT”状态,等待下一次时间片循环,然后找到下一个处于“READY”状态的任务,通过堆栈管理,将自由堆栈空间分配给该任务,使其成为当前任务。清除使该任务进入“READY”或“TIMEOUT”状态的相关位后,执行该任务。任务切换的流程如图1所示。

  RTX51TINY由于是一个多任务的操作系统,那么就不免会有几个任务使用同一个资源,这些资源可能是一个变量,也可能是输入/输出设备。这就要求一个任务在使用共享资源时必须独占该资源,否则可能会造成数据被破坏。

  在RTX51 TINY中实现共享资源独占的方法比较多。比如,可以通过TIMESHARING这个变量来禁止时间片轮转,使其值为0,就可以实现禁止任务切换,从而当前任务就可以独占共享资源。还可以关闭中断来实现,使EA=0,定时器T0的中断被关闭,不能再为时间片轮转提供基准,从而禁止了任务切换。但这两种方法都带有一定的局限性,前一种方法只能适用于实时性要求不高的场合,后一种方法由于T0中断关闭时间不能太长,只能适用于一些简单变量操作的场合。基于以上情况,下面通过另一种方法来实现共享资源的使用。

  在RTX51 full中可以利用信号量很好地实现对共享资源的操作,也可以把这种思想应用到RTX51 TINY中;而在RTX51 TINY中不支持信号量,这就要求用户自己定义信号量及其操作过程。以下是部分代码:

  

  

  有了以上几个函数的定义和实现,就可以应用等待信号量和释放信号量来完成对共享资源的独占。例如:

  应用信号量来实现共享资源的使用,不用禁止时间片轮转和关闭T0中断,可以有效地实现对共享资源的独占;但增加了代码,等待和释放信号量花费了一定的时间,在具体应用中要视情况而定。

  需要注意的问题

  在应用RTX51 TINY时应注意以下几点:

  ① 尽可能不使用循环任务切换。使用循环任务切换时要求有13个字节的堆栈区来保存任务内容(工作寄存器等)。如果由os_wait()函数来进行任务触发,则不需要保存任务内容。由于正处于等待运行的任务并不需要等待全部循环切换时间结束,因此os_wait()函数可以产生一种改进的系统响应时间。

  ② 不要将时钟节拍中断速率设置得太高,设定为一个较低的数值可以增加每秒的时钟节拍个数。每次时钟节拍中断大约需要100~200个CPU周期,因此应将时钟节拍率设定得足够高,以便使中断响应时间达到最小化。

  ③ 在os_wait()函数中有3个参数: K_TMO、K_IVL和K_SIG。其中对于K_TMO和K_IVL的使用要加以区别。在使用时,两者似乎差别不是很大。其实不然,两者存在很大的区别:K_TMO是指等待一个超时信号,只有时间到了,才会产生一个信号。它产生的信号是不会累计的,产生信号后,任务进入就绪状态。而K_IVL是指周期信号,每隔一个指定的周期,就会产生一次信号,产生的信号是可以累计的。这样就使得在指定事件内没有响应的信号,通过信号次数的叠加,在以后信号处理时,重新得以响应,从而保证了信号不会被丢失。而通过K_TMO方式进行延时的任务,由于某种原因信号没有得到及时的响应,那么这样就可能会丢失一部分没有响应的信号。不过两者都是有效的任务切换方式,在使用时要根据应用场合来确定对两者的使用。

  结语

  RTX51 TINY实时操作系统既能保证对外界的信息以足够快的速度进行相应处理,又能并行运行多个任务,具有实时性和并行性的特点,因此能很好地完成对多个信息的实时测量、处理,并进行相应的多个实时控制。任务切换是RTX51 TINY的一个基本服务。本文对任务切换做了详细的分析,在实际应用中还要对任务切换时的堆栈管理有一定了解,这样才能更好地掌握任务切换的机制。共享资源的使用在多任务操作系统中是不可避免的,RTX51 TINY中没有专门的处理共享资源函数,所以在实际应用中要视情况来应用文中提到的几种方法。

  参考文献

  [1] 朱珍民,隋雪青,段斌. 嵌入式实时操作系统及其应用开发[M]. 北京:北京邮电大学出版社,2006:44-49.

  [2] Keil Software Inc.RTX51 Tiny User’s Guide,2004.

  [3] 徐爱钧,彭秀华. 单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用[M]. 北京:电子工业出版社,2001.

关键字:TINY  周期信号  SWITCHINGNOW  TASKSWITCHING  中断响

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2008/0605/article_741.html
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