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  • 開發(fā)51單片機操作系統(tǒng)時應注意哪些問題
    開發(fā)51單片機操作系統(tǒng)時應注意哪些問題
  • 開發(fā)51單片機操作系統(tǒng)時應注意哪些問題
  •   發(fā)布日期: 2019-05-08  瀏覽次數(shù): 1,386

    51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機,在我國的應用非常廣泛。目前,在軟件設計中需要軟件工程師從底層做起,在系統(tǒng)軟件設計方面需要做大量的重復性勞動。如果開發(fā)一套基于51系列單片機的操作系統(tǒng),那么用戶只需要編寫各個任務的程序,不必同時將所有任務運行的各種情況記在心中,不但大大減少了程序編寫的工作量,而且減少了出錯的可能性。

    1 開發(fā)平臺的選擇和論證

     

    開發(fā)平臺的選擇至關重要,因為有時它不光影響進度、產(chǎn)品質(zhì)量、可維護性等一般問題,還涉及到方案的可實現(xiàn)性。

    在本系統(tǒng)中,選擇51系列單片機作為操作系統(tǒng)的運行平臺有以下原因。

    首先,51系列單片機應用非常廣泛,一大批性能優(yōu)越的51兼容單片機相繼推出。這里包括:低功耗、高速度和增強型的Philips公司的系列產(chǎn)品;完美地將Flash(非易失閃存技術)EEPROM與80C51內(nèi)核結合起來的Atmel公司的系列產(chǎn)品;在抗干擾性能,電磁兼容和通信控制總線功能上獨樹一幟,其產(chǎn)品常用于工作環(huán)境惡劣場合的Siemens公司的系列產(chǎn)品以及一些其它公司的產(chǎn)品。既然產(chǎn)品如此豐富,性能如此優(yōu)越,那么在處理多任務并且對實時性要求嚴格的系統(tǒng)設計中,為了充分挖掘單片機的潛能(尤其是在實時性方面),也是為了簡化開發(fā)的過程,基于51系列單片機的實時操作系統(tǒng)的需求就十分強烈了。Keil公司的RTX51 Full就是一個基于51系列單片機的有實用價值的實時操作系統(tǒng),但該操作系統(tǒng)是一個源碼不公開的收費軟件。

    其次,借助于Keil C51的集成開發(fā)環(huán)境,完全可以開發(fā)出適用于51系列單片機的操作系統(tǒng)代碼。

    Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的Windows界面集成開發(fā)調(diào)試工具。

    另外重要的一點, Keil C51生成的目標代碼效率非常高,多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊,容易理解。在開發(fā)大型軟件時,更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。C編譯器能產(chǎn)生可重入代碼,而且用C語言可以打開和關閉中斷。

    2 開發(fā)51單片機操作系統(tǒng)應注意的問題

    (1)操作系統(tǒng)軟件的代碼不能太長

    因為51系列單片機的系統(tǒng)硬件資源相對匱乏,如果操作系統(tǒng)的代碼比應用程序的代碼還大,甚至使得用戶的應用程序要考慮給操作系統(tǒng)讓出資源,這樣的操作系統(tǒng)即使功能再完善,也不實用?,F(xiàn)在流行的嵌入式操作系統(tǒng)就不能應用于51系列單片機,原因是代碼太大。開發(fā)一個5000行的基于裸機的應用程序也就是占用 7~8KB ROM空間,一個操作系統(tǒng)用掉了幾十KB,占空間不算,實時性的優(yōu)勢恐怕也沒了(執(zhí)行這么多的指令要時間)。所以,μCOS的作者也不支持將他的代碼移植到51系列單片機上,這也就不奇怪了。

    (2)操作系統(tǒng)不能占用太多的片內(nèi)RAM空間

    51系列單片機只有128個或者256個字節(jié)的片內(nèi)RAM空間,稍微不注意就用完了。如果操作系統(tǒng)把片內(nèi)的RAM使用得所剩無幾,那用戶的應用程序用什么? 如果說用戶的程序可以把變量定義在片外RAM中的話,那么系統(tǒng)的硬件堆棧放在哪? 眾所周知,51系列單片機的硬件堆棧不能放在片外,所以要在51系列單片機上開發(fā)操作系統(tǒng)的話就要少用它的片內(nèi)RAM。但是不用片內(nèi)RAM是辦不到的,因為操作系統(tǒng)也要傳遞參數(shù),也要使用堆棧。C51單片機的C函數(shù)傳遞參數(shù)是通過寄存器和存儲器的,不能通過堆棧。但是可以通過一些措施使得操作系統(tǒng)代碼少用片內(nèi)RAM。

    (3)解決好函數(shù)的重入問題

    開發(fā)實時占先式的操作系統(tǒng),可重入函數(shù)是非用不可的??芍厝牒瘮?shù)可以被一個以上的任務調(diào)用,而不必擔心數(shù)據(jù)被破壞??芍厝牒瘮?shù)任何時候都可以被中斷,一段時間后又可以運行,而應用數(shù)據(jù)不會丟失。使得函數(shù)具有可重入性必須使得函數(shù)能夠滿足下列三個條件之一:

    ① 不使用共享資源;

    ② 在使用共享資源時關中斷,使用完畢后再開中斷;

    ③ 在使用共享資源時申請信號量,使用完后釋放信號量。

    這些條件在標準C中編程很容易實現(xiàn),但是在Keil C51中就比較麻煩。因為標準C是把局部變量分配到用戶堆棧中(動態(tài)分配),而Keil C51將局部變量分配到寄存器或內(nèi)存固定地址(靜態(tài)分配),并通過變量覆蓋分析的方法,使多個函數(shù)的局部變量使用相同的內(nèi)存地址以減少內(nèi)存占用。在 Keil C51中,如果局部變量分配在寄存器中還好些,如果局部變量分配在內(nèi)存中就比較麻煩。

    (4)堆棧的分配問題

    占先式操作系統(tǒng)的主要任務就是進行任務的調(diào)度,通過對任務的實時調(diào)度來完成系統(tǒng)的功能。任務調(diào)度過程中,不可避免的發(fā)生任務對系統(tǒng)資源的搶占問題,因為系統(tǒng)中 CPU只有一個,而每個任務都認為自己是CPU的絕對占用者,每一個任務都是一個死循環(huán)。任務間進行切換的依據(jù)就是各自的優(yōu)先級,一個高優(yōu)先級的任務可以通過任務調(diào)度函數(shù)或者中斷退出函數(shù)等來中止正在運行的任務。被中斷的任務只有自己的優(yōu)先級在當前就緒任務表中最高時,才能從被中斷處繼續(xù)運行。這就需要為每個任務分配任務堆棧,來保存任務的環(huán)境變量。由于每個任務在不同時刻被中斷時需要保存的環(huán)境變量數(shù)目不同,所以任務堆??臻g的分配問題也是一門學問。

    3 一些解決問題的技巧

    (1)片內(nèi)RAM占用問題的解決

    任務堆棧最好不要放在片內(nèi),如果把任務堆棧放在片內(nèi)的話,用戶應用程序可使用的資源就非常有限,應用程序的功能也會受到限制。這就是為什么某些把任務堆棧放在片內(nèi)的基于51系列單片機的實時操作系統(tǒng)只能用來做些演示實驗,但并不實用。一個有實用價值的基于51系列單片機的實時操作系統(tǒng)必須在512字節(jié)以上的RAM環(huán)境中運行。隨著集成技術的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了很多帶有輔助RAM的51系列單片機,這類單片機把片外的RAM集成到芯片內(nèi),使用MOVX指令來訪問這些RAM。如果用戶不想通過三總線來擴展片外RAM的話,可以選用這種帶有輔助RAM的單片機。此外,因為操作系統(tǒng)要用到一些全局變量,鑒于處理的速度問題又不想把它們?nèi)康姆旁谄?,那就可以根?jù)這些全局變量應用的頻繁程度來決定把哪些移到片外,哪些留在片內(nèi)。別小看這幾個字節(jié)的節(jié)約,在51 系列單片機上效果會很明顯。筆者認為在這種資源相對匱乏的單片機上,開發(fā)操作系統(tǒng)的最高境界應該是開發(fā)一個綠色的操作系統(tǒng),用戶在應用操作系統(tǒng)時可以用的系統(tǒng)資源應該和基于裸機編程差不多。

    (2)重入問題的解決

    應該盡量使有重入性要求的函數(shù)的參數(shù)傳遞通過寄存器來完成,這樣可以用一般的方法來編寫函數(shù),使得函數(shù)具有重入性。如果實在是寄存器不夠用的話,可以動用硬件堆棧來保存這些局部變量。

    (3)堆棧分配問題的解決

    鑒于各個任務對于任務堆棧大小的要求不同,即使同一個任務在不同的時刻被中斷,它對堆棧大小的要求也不相同的情況,可以將任務堆棧多分配出一個字節(jié),用來統(tǒng)計任務堆棧中有效數(shù)據(jù)的個數(shù)。單片機的片內(nèi)RAM中,堆棧的棧底也做一個標志,當任務切換時,把當前任務放在堆棧中的環(huán)境變量從棧底到棧頂全部拷貝到任務的堆棧中,然后把將要運行任務的任務堆棧中的所有數(shù)據(jù)恢復到棧底標志開始的地方。任務堆棧和硬件堆棧之間的數(shù)據(jù)拷貝如圖1所示。

    開發(fā)51單片機操作系統(tǒng)時應注意哪些問題

    其中,Stack(i)和Stack(j)都是指針數(shù)組Stack[max_tasks]中的元素,NUM=SP-StkStart,圖1中所要進行的操作步驟是:①將系統(tǒng)硬件堆棧中的內(nèi)容放到當前任務的堆棧中;②把將要運行的任務的堆棧內(nèi)容移到系統(tǒng)的硬件堆棧中,并將硬件堆棧中的內(nèi)容彈出到各個寄存器。這個過程就完成了任務的切換。

    結 語

    本文介紹了在基于51系列單片機的嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)中,可能遇到的幾個問題和它們的解決辦法。這些想法都是筆者在學習和實踐中得來的,相信能夠?qū)氖孪嗤ぷ鞯娜藛T有一定啟發(fā)。


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