关于RTX51 TINY的分析与探讨

1 概述

RTX51 TINY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11.059 2 MHz，则时间片为10.850 7×5＝54.253 5 ms。

RTX51 TINY的任务切换共有TASKSWITCHING 和SWITCHINGNOW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。


图1 任务切换流程

3 共享资源实现[1]

RTX51 TINY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：

struct signal {//定义信号量结构体
uchar count；//该信号量的当前计数值
uint list_tasks；//等待该信号量任务表
} signal_list[3]；
/*初始化信号量 */
void init_signal(uchar task_id,uchar count) {
signal_list[task_id].count=count；
signal_list[task_id].list_tasks=0；
}
/*等待信号量 */
char wait_signal(uchar task_id) {
if(signal_list[task_id].count>0) {
signal_list[task_id].count；//获取信号量
return(-1)；
}
signal_list[task_id].list_tasks|=(1?os_running_task_id())；//标记为等待状态
return(0)；
}
void wait_sem(uchar task_id) {
if(wait_signal(task_id==0)
while(os_wait(K_TMO，255，0)!=RDY_EVENT)；//等待，直到该任务就绪
}
/*释放信号量 */
char release_signal(uchar task_id) {
uchar i：
uint temp=1；
if((signal_list[task_id].count>0)||( signal_list[task_id].list_tasks==0)) {
signal_list[task_id].count++； //释放信号量
return(-1)；
}
for(i=0；i<16；i++) {
if((signal_list[task_id].list_tasks&(temp))!=0){//查找任务表
signal_list[task_id].list_tasks&= ~(1<<i)；return(i)； //返回等待信号量的任务号
}
temp<<=1：
}
}
void release_sem(uchar task_id) {
char task_temp；
task_temp=release_signal(task_id)；
if(task_temp!=-1) {
os_set_ready(task_temp)； //任务task_id进入就绪状态
os_switch_task()；
}
}

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：

void job()_task_ id {
――――用户代码――――
wait_sem(task_id)；//等待任务task_id的信号量
――――对共享资源使用代码――――
release_sem(task_id)；//释放任务task_id的信号量
――――用户代码――――
}

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。

4 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。

作者： 兰州交通大学 冯桂平 鲁怀伟

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．

冯桂平（硕士研究生），主要研究方向为单片机开发与应用；鲁怀伟（教授、博导），主要研究方向为光纤无源器件。