單片機(jī)實(shí)時系統(tǒng)RTX51入門教學(xué)研究

梁兆福

摘 要：當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)編程達(dá)到一定水平后，使用多任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)編程是一種非常有益編程方法。文章以從初識RTX51到由流水燈實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生學(xué)習(xí)RTX51興趣，再到由簡單任務(wù)入門為順序開了RTX51教學(xué)研究。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；RTX51；流水燈；教學(xué)研究

中圖分類號：G712 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008-3561（2016）23-0082-02

目前在8051系列單片機(jī)上使用多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS），主要有德國Keil公司開發(fā)單片機(jī)IDE軟件μVision自帶的RTX51和陳明計(jì)編寫的Small RTOS。RTX51有2個版本：RTX51 Tiny和RTX51 Full。RTX51 Tiny自身占用單片機(jī)硬件資源非常少，可以運(yùn)行在沒有外部擴(kuò)展存儲器的8051單片機(jī)系統(tǒng)上。很少在中職學(xué)生中開展RTX51教學(xué)的原因是：首先，RTX51教學(xué)中文資料和實(shí)例很少。其次，要求學(xué)習(xí)對象具備很好的編程能力。最后，沒有使用實(shí)時系統(tǒng)編程的習(xí)慣。目前編寫大型、分工的程序通常是在RTOS上編程的，其原因是單片機(jī)資源越來越豐富和價格越來越低。另外，在RTOS基礎(chǔ)上編程，優(yōu)點(diǎn)非常明顯。順應(yīng)單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展態(tài)勢，中職學(xué)生有必要接觸ROTS，從而掌握一些基本知識和使用技巧。選擇一些編程能力比較強(qiáng)的中職學(xué)生為教學(xué)對象，進(jìn)行了單片機(jī)實(shí)時系統(tǒng)RTX51教學(xué)研究。

一、 初識多任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)

為了幫助學(xué)生能對多任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)形成一些初步認(rèn)識，可以通過編寫下面的程序，再通過調(diào)試程序觀察變量變化情況，來分析變化原因。

01 #include

02 #include "RTX51TNY.h"

03 long int counter1=0；

04 long int counter2=0；

05 void job_a （void） _task_ 0

06 {

07 os_create_task（1）；

08 while（1）

09 {

10 counter1++；

11 }

12 }

13 void job_b （void） _task_ 1

14 {

15 while（1）

16 {

17 counter2++；

18 }

19 }

要運(yùn)行上面程序，必須將Conf_tny.A51文件（在 Keil＼C51＼RtxTiny2＼SourceCode文件夾里面）加進(jìn)工程中，接著要在設(shè)置工程選項(xiàng)中的Operating條目選擇RTX-51 Tiny。最后，在程序中將RT51TNY.h文件包含進(jìn)來（如圖1第2行程序）。

程序講解：使用演示教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)。演示1：程序全速執(zhí)行，提醒學(xué)生觀察變量counter1和counter2變化。現(xiàn)象是：兩個變量都在增加。演示2：單步執(zhí)行，提醒學(xué)生觀察變量counter1，counter2變化，同時觀察程序如何執(zhí)行?，F(xiàn)象是：程序在第8至11行連續(xù)執(zhí)行一段時間，每執(zhí)行一次循環(huán)體counter1增加1。當(dāng)執(zhí)行一段時間后，程序跑到第15至18行程序運(yùn)行，并且連續(xù)運(yùn)行一段時間，每執(zhí)行一次循環(huán)體counter2增加1。當(dāng)運(yùn)行一段時間后，程序在第8至11行連續(xù)執(zhí)行，如此重復(fù)。

現(xiàn)象解析：此程序使用了RTX51，在此系統(tǒng)上編寫用戶程序，用戶程序有兩個任務(wù)job_a和job_b，用關(guān)鍵詞_task_定義。每個任務(wù)都是一個死循環(huán)體，或者執(zhí)行后使用系統(tǒng)函數(shù)os_delete_task刪除。在實(shí)時系統(tǒng)運(yùn)行的每個用戶任務(wù)是輪循或搶占（RTX51是輪循）執(zhí)行一個時間片的（由數(shù)個時間“滴答”構(gòu)成），所以在單步調(diào)試運(yùn)行過程中，會觀察程序在第8至11行連續(xù)執(zhí)行一段時間，然后程序跑到第15至18行程序運(yùn)行，并且連續(xù)運(yùn)行一段時間。如果用戶任務(wù)運(yùn)行時間片比較小的時候，程序全速執(zhí)行，就會發(fā)現(xiàn)兩個用戶任務(wù)程序同時執(zhí)行，也就是看到counter1、counter2同時增加的現(xiàn)象。

疑問解析：main函數(shù)去哪里了？任務(wù)時間片大小怎么確定？學(xué)生會提出上述兩個問題。main函數(shù)在RTX51系統(tǒng)使用了，在RTX51中執(zhí)行main函數(shù)后自動跳轉(zhuǎn)到由_task_ 0定義的用戶任務(wù)中。任務(wù)時間片大小由Conf_tny.A51文件中宏INT_CLOCK和TIMESHARING確定，其中INT_CLOC稱為系統(tǒng)時鐘“滴答”。

通過上述程序演示和講解，有編程基礎(chǔ)的學(xué)生基本上能了解多任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)概念和用戶程序運(yùn)行過程。

二、 由流水燈實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生學(xué)習(xí)RTX51興趣

單片機(jī)經(jīng)典入門實(shí)驗(yàn)就是流水燈了，猶如許多學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程語言的第一個程序“Hello world！”。在RTOS上編寫流水燈程序和非使用RTOS編寫的程序思路非常不同。為了使得學(xué)生對RTOS產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，教師準(zhǔn)備了圖1流水燈電路（該電路省去單片機(jī)復(fù)位、時鐘電路）和下面程序。

01 #include

02 #include "rtx51tny.h"

03 void job_a（void） _task_ 0

04 {

05 unsigned char i，dt；

06 os_create_task（1）；

07 while（1）{

08 dt=0x1；

09 for（i=0；i<8；i++）{

10 P0=～dt；

11 dt=dt << 1；

12 os_wait（K_TMO，100，0）；

13 }

14 }

15 }

16 void job_b（void） _task_ 1

17 {

18 unsigned char i，dt；

19 while（1）{

20 dt=0x80；

21 for（i=0；i<8；i++）{

22 P3=～dt；

23 dt=dt>>1；

24 os_wait（K_TMO，50，0）；

25 }

26 }

27 }

為體現(xiàn)在RTOS上所編寫流水燈程序與初學(xué)單片機(jī)編寫程序在思路上的不同，在電路上設(shè)計(jì)P0和P3端口分別控制8只LED。功能要求P0端口控制的LED每隔1秒鐘從右邊到左邊循環(huán)流動顯示，P3端口控制的LED每隔0.5秒鐘從左邊到右邊循環(huán)流動顯示。講解程序時，先向?qū)W生介紹使用RTOS編寫的用戶程序思路，然后講解具體實(shí)現(xiàn)的方式，最后讓學(xué)生體會使用RTOS和不使用RTOS編寫流水燈程序的難易程度和擴(kuò)展性能。

程序思路：建立兩個用戶任務(wù)job_a和job_b，job_a任務(wù)控制P0端口的8只LED，job_b任務(wù)控制P3端口的8只LED。由于每個用戶任務(wù)只需要考慮自身該干的活而不需要考慮其他任務(wù)，所以在每個任務(wù)中的程序編寫就變得非常簡單。

程序講解：在RTX51初始化后切換到任務(wù)job_a中運(yùn)行，內(nèi)核os_create_task（1）函數(shù)調(diào)用，準(zhǔn)備好任務(wù)job_b運(yùn)行所需要的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如堆棧頂部位置）。執(zhí)行第7～10行程序，在P0輸出0xfe數(shù)據(jù)使得只有D8亮。第11行程序?yàn)橄麓卧赑0端口輸出正確數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。第12行程序調(diào)用RTX51系統(tǒng)函數(shù)os_wait，os_wait函數(shù)使用非常頻繁，其功能是主動放棄該任務(wù)占用CPU時間，然后等待特定時間，時間間隔或者信號到來后重新在os_wait函數(shù)的下一行程序繼續(xù)執(zhí)行程序。在初識別多任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)時候已經(jīng)介紹過用戶任務(wù)運(yùn)行“任務(wù)時間片”后被RTX51切換到其他任務(wù)中執(zhí)行，但是很多時候，用戶任務(wù)往往不需要執(zhí)行整個任務(wù)時間片，可以主動提前釋放占用CPU時間，這樣可以提高RTX51的實(shí)時性和效率。os_wait（K_TMO，100，0）函數(shù)中的參數(shù)K_TMO，表示任務(wù)job_a放棄CPU后，等待超時時間，這個超時時間是由第二個參數(shù)“100”確定，表示是等待100個系統(tǒng)“滴答”時間。當(dāng)執(zhí)行系統(tǒng)函數(shù)os_wait后RTX51切換到下一個任務(wù)job_b，過程幾乎和job_a一樣。

用與不用RTX51編寫程序差異體會：學(xué)生在初學(xué)單片機(jī)時，一定是不使用RTOS編寫流水燈程序的?，F(xiàn)在通過兩者的差異對比，學(xué)生會感受到使用RTX51編程的思路、難易和擴(kuò)展性有所不同。對于擴(kuò)展性，如在電路中增加按鍵識別，按鍵控制不同流水燈花樣，使用RTX51只需要增加一個按鍵識別和處理任務(wù)。通過流水燈實(shí)驗(yàn)，觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和狀態(tài)，可以確認(rèn)學(xué)生對RTX51非常感興趣，因?yàn)镽TX51為他們打開編程的第二扇門，門里有許多值得他們驚喜的知識。

三、 由簡單任務(wù)入門RTX51

學(xué)生要學(xué)習(xí)RTX51，必須有一些經(jīng)典且簡單的任務(wù)練習(xí)才能入門。在教學(xué)中可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生初學(xué)單片機(jī)時學(xué)習(xí)過并且做過的任務(wù)，可以在RTX51基礎(chǔ)上重新編寫程序完成。這樣做好處比較多，首先學(xué)生已經(jīng)明白任務(wù)要求；其次通過RTX51編寫用戶程序?qū)崿F(xiàn)相同功能，能深刻體會使用RTX51的方便和簡單；再次用不同的編程思路實(shí)現(xiàn)相同功能，反而進(jìn)一步鞏固已經(jīng)學(xué)習(xí)的單片機(jī)編程知識；最后學(xué)生學(xué)會取舍是否用RTOS編程。以YL236單片機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)硬件平臺，在此平臺上實(shí)現(xiàn)時鐘、溫度計(jì)、數(shù)字電壓表（AD轉(zhuǎn)換）、機(jī)械手控制等簡單的RTX51入門任務(wù)。學(xué)生在完成任務(wù)過程中會遇到很多問題，如在做時鐘任務(wù)過程中，學(xué)生將時鐘任務(wù)分解為數(shù)碼管顯示、按鍵識別、按鍵處理、時間調(diào)整這四個用戶任務(wù)，任務(wù)之間需要通信的，如何解決？這可以調(diào)用RTX51系統(tǒng)函數(shù)發(fā)信號，也可以自己定義消息，并實(shí)現(xiàn)消息發(fā)送和接收功能，還可以用全局變量協(xié)調(diào)。又如多個用戶任務(wù)中需要使用共同資源，怎樣實(shí)現(xiàn)資源保護(hù)？學(xué)生通過不同的嘗試，最終找到解決問題的方法；通過多個簡單任務(wù)練習(xí)后，最終掌握RTX51的使用。

四、 結(jié)束語

通過簡單的演示程序，學(xué)生初識RTX51并了解任務(wù)實(shí)時系統(tǒng)的相關(guān)概念和用戶程序運(yùn)行過程；由在RTX51上實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的流水燈實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對RTX51產(chǎn)生興趣；使用RTX51實(shí)現(xiàn)多個簡單的任務(wù)，學(xué)生最終入門RTOS。通過RTX51教學(xué)研究，學(xué)生是有能力使用RTOS進(jìn)行程序編寫的。雖然以功能很弱的RTX51入門，但是學(xué)生熟練掌握RTX51使用方法后，很容易將知識遷移到其他功能比較強(qiáng)大的RTOS，如陳明計(jì)編寫的Small RTOS（該RTOS內(nèi)核主要用C語言編寫，搶占式切換任務(wù)）。

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