基于RTX51实时操作系统的用户专用键盘软件设计

　　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：