基于RTX51实时操作系统的用户专用键盘软件设计

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。

如图，任务1在检测到按键状态变化后向任务2发送信号，任务2随后由等待状态进入“准备好”状态，在本任务的下一个时间片，任务2开始进行指定位置按键的码值查询，然后通过串口完成码值发送。

同时，串口数据通过中断服务程序接收，串口数据接收后即发送信号给任务3，使后者进入“准备好”状态，并在下一个时间片到来后进行数据处理。

以上三个任务中，任务l始终处于“运行”或“准备好”状态，任务2、任务3大多数时间处于“等待”状态，任务2、任务3分别在接收到按键状态扫描任务、中断服务程序的信号后被“唤起”。另有任务0，负责创建任务1、2、3，然后删除自己。任务0简化程序如下所示：

#define INIT 0／*任务0：初始化及创建*／

#define SCAN 1／*任务1：按键状态扫描*／

#define KEY 2／*任务2：按键码值查询*／

#define LIGHT 3／*任务3：串口数据处理*／

Init()_task_INIT{

Serial_init()；

Os_create task(SCAN)；

Os_create_task(KEY)；

Os_create_task(LIGHT)；

Os_delete-task(INIT)；

}

以下对中断服务程序及各个任务分别予以介绍。

3．2 中断服务程序

用户专用键盘串口接收、发送中断服务程序流程如图3所示。

由于中断可能由发送控制器或接收控制器引起，因此在程序中首先要判断是接收中断还是发送中断，然后分别进行处理。对于接收的数据，程序将其存入接收缓冲区，然后通知串口数据处理任务进行处理。
用户专用键盘数据的发送在中断服务程序中完成，上一字节的数据发送完毕产生中断，进入中断服务程序继续完成下一字节的发送，而发送缓冲区中的数据由系统在按键码值查询任务中存入。简化的中断服务程序如下：

3．3 串口数据处理任务(TASK_LIGHT)

中断服务程序只处理串口缓存器SBUF的读取或写入，数据一旦接收完毕即存入缓冲区，并在专门的任务中进行处理。在多任务系统的用户专用键盘程序中，串口数据处理任务在创建后即被“挂起”，此时该任务处于“等待”状态，不占用任何时间片，只有当任务接收到“唤起”信号后才继续执行。本程序中“唤起”信号来自中断服务程序。由于中断处理过程可以同RTX51任务互发信号或交换数据，因此，中断服务程序在接收到数据后立即发送信号量给串口数据处理任务，使后者处于“准备好”状态，当下一时间片来到时，串口数据处理任务继续执行，完成数据解析及控制指示灯等操作。由于该任务为循环操作，当所有接收的数据处理完毕后，任务再次进入“等待”状态，等待下一次串口数据接收后的处理。图3中，斜体部分即为中断服务程序发送信号至串口数据处理任务的过程。串口数据处理任务的简化程序如下：

3．4 按键状态扫描任务(TASK SCAN)

按键状态扫描为一个循环执行的任务，程序通过不断地读取单片机IO口的值获取每个按键的当前状态，然后将当前状态值