2022年系列单片机实时操作系统方案.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用基于8051系列单片机的实时操作系统设计1、绪论8051系列单片机系统广泛应用于工控、仪器外表、通信等领域,为了防止其软件开发的重复性工作,提高所编软件的牢靠性,结合自主开发的、基于 AT89C51单片机为核心的硬件平台,实现了一个基于该平台的实时操作系统；该操作系统具有一个基于C语言的、实时多任务的内核,有较好的移植性；单片机在嵌入式微掌握系统应用中具有特别重要的位置；在嵌入式系统中使用实时操作系 统已经成为嵌入式应用的一种趋势,是单片机高水平应用开发的一个标志；一个好的实时操作系统可大大提高掌握产品的研制效率,缩短

2、开发时问,有利于多人的分工协作,用RTOS开发的产品稳固性、牢靠性也会得到提高；2、 硬件平台简介2.1 8051系列微掌握器简介目前,8051 系列芯片已达 400 多种,可分成 3个主要类别 :标准 8051系列、小型 8051系列和扩展 8051系列；小型 8051系列是8051系列芯片中低成本的类别,端口管脚数目少,不支持片外储备器,主要应用在低成本的消费类产品；扩展8051 系列是 8051芯片中加有扩展的片上设备,如CAN 总线掌握器、 DAC 、ADC 等,其端口管脚数目比较多,且最近的此类芯片都支持大容量的片 外储备器,主要应用在工业及汽车系统中；本文所述操作系统的硬件平台使用

3、的微掌握器是标准 8051 系列芯片；由于小型以及扩展的 8051系列芯片都是由标准 8051系列芯片衍变而来,所以本 8051系列芯片的嵌入式系统上进行移植；系统也可以在任何基于2.2 硬件平台一个典型的单片机应用系统包括基本部分、输入部分 测控增强部分 和输出部分 外设增强部分 ；基本部分主要是单片机及其外围芯片的扩展 如RAM 和ROM、功能键盘、显示器的配置等,它们是通过内总线连接而成；测控增强部分主要由传感器、变送器、转换器等接口及伺服驱动掌握接口构成；外设增强部分主要是外设接口,它通 过I/O 口或扩展的 I/O 口构成,可接打印机等外设；该实时操作系统是基于 硬件平台上实现的,其

4、结构如图 1所示；AT89C51单片机为核心的单片机系统名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用图1硬件平台结构3、实时操作系统的设计3.1 实时系统的特点对于实时响应时间,不同的应用系统有不同的要求,即使在同一个应用系统内部 , 不同的应用场合也有不同的要求；在实时系统里 , 除了实时响应外,另外一个问题是系统的流通量或吞吐量,实时系统的吞吐量可以定义为 每单位时间系统可以处理的大事个数；实时任务具有截止期,分硬实时、软实时和固实时；硬实时是指假如响应超过了任务 截止期,可能会导致严峻后果；软实

5、时是指虽然响应超过了任务截止期,但仍是有肯定的 价值；固实时是指假如超过了截止期才响应处理,就完全没有价值了；实时任务具有可猜测性,在最坏情形下的任务的执行时间以及所需数据和资源,都要求对最坏情形的猜测与实际的 差别尽可能的小,即使在显现峰值负载时 , 也应满意其截止期；3.2 实时操作系统与实时系统的关系及其特点实时操作系统是实时系统软件的基础,所实现的功能是系统资源的治理和机器功能的 扩充；因此实时操作系统和通用操作系统是有肯定差别的,有其自己的一些重要特点,包 括进程切换快、中断被屏蔽时间短、规模小等；3.3 嵌入式系统的 2种触发方式在嵌入式系统设计时,通常采纳大事触发和时间触发 2种

6、方式来实现；大事触发行为往往通过使用中断实现,大事触发系统在系统总体结构上往往通过供应 多级中断服务程序来支持该功能；假如多个中断源可能在“ 随机的 ”时间间隔产生中断,就 中断响应可能被遗漏；8051的体系结构支持高和低两种不同的中断优先级,将可能显现中 1 断信息丢失的情形；例如,有高优先级的中断 发生,并在极短的时间内又发生了中断 2,这时无论中断 2是高优先级仍是低优先级中断,中断 2的响应都会被推迟,并在一些情形下 如被推迟时间过长等 被完全忽视；因此,在某些与安全相关的应用系统中选用时间触发方法,这样设计人员能预先支配名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 7 页精

7、选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用可控的次序,保证一次只处理一个大事,提高了系统的牢靠性并降低 储器的使用量；3.4 调度器的设计CPU的负荷,削减存调度器可以看作是一个简洁的操作系统；从底层的角度来看,调度器可看作是一个由 很多不同任务共享的定时器中断服务程序,答应以周期性或单次方式来调用任务,其分为 合作式调度器与抢占式调度器两大类：合作式调度器供应的是一种单任务的系统结构,比 较简洁,用很少的代码就可实现,每次只需为一个任务安排储备器,具有可猜测性和牢靠 性,但是在当前的程序运行期间,系统对外界的变化不敏锐；抢占式调度器供应了一种多 任务的系统结构

8、,比较复杂,必需为抢占任务的全部中间状态安排储备器,对外部大事的 响应速度快,但其可猜测性和牢靠性较低；实时系统的任务都有一个截止期,单独使用抢占式调度方式或合作式调度方式都不能 完全满意实时系统的要求,必需使用一种混合式调度器,依据实时系统的要求来设置定时器的定时时间 .假设有 2个任务, 1个必需在 20 ms内完成,因此取它们的最大公约数 10 ms内完成,另 1个必需在 30 ms来作为定时器的定时时间；使用定时器 0的模式 1来进行定时,就可以运算出 T0 的初值为 T0D8F0H ,程序实现如下 部分程序 ：#define p re_t0H 0xD8 #define p re_t0

9、L 0xF0 / / 依据定时时间运算出的初值 void timer_t0_init void TMOD = 0x10 ； / / 设置定时器 0的工作模式 TH0 = p re_t0H ；TL0 = p re_t0L ； / /送初值 ,定时时间为 10ms TR0 = 1； / / 启动定时 ET0 = 1； / / T0 开中断 EA = 1 ； / / CPU开中断 void attemper_timer0 void interrup t2 using 1 / / 定时器 0的中断服务程序/ /定时时间到 ,判定是否进行任务切换挑选最高优先级的任务来执行,代码略 调度器依据在系统进行初

10、始化时用户的预设值将中断和某些外设设置为抢占式任务,抢占式任务是最高优先权的任务；在调度期间,只有1个抢占式任务,该任务一旦开头运行将连续运行到其完成,以削减任务切换所耗费的时间,因此要求这些中断处理任务和外设处理任务的时间必需小于定时器的时间间隔,尽量更短,否就会影响系统对其他中断的响应或对其他设备的处理 .对于除用户预设的中断和外设之外的大事将采纳分时方式进行处理；3.5 任务及任务间通信每个任务都安排在不同的储备空间,通过指针变量 3 TASK_pnum 来指向任务的首地址；每个任务都有自己的存在状态运行态、就绪态、休眠名师归纳总结 态、挂起态和被中断态和优先级 为明白决任务优先级翻转问

11、题,系统可以通过函数void p 第 3 页,共 7 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - rio_change un2signed int 3 个人资料整理仅限学习使用task_adr, unsigned char p rio_ st, unsingedchar p rio_ced来动态调整任务的优先级 的数据结构定义如下：typedef struct ,任务间使用信号量或消息队列来进行相互通信；任务unsigned char task_name； / /任务名 unsigned char realtask； / /是否为实时任务 , 0为否 ,其他为

12、是 unsigned char p rio ； / /任务优先级 unsigned char state； / /任务状态 unsigned char err； / /出错信息 unsigned char 3 p tos； / /栈顶指针 unsigned int stk_size ； / /堆栈大小 以字节为单位 TASK ；3.6 中断处理系统中的实时任务不仅包括某些中断处理,仍包括部格外设处理任务；中断是一种硬件机制,用于通知CPU有异步大事发生了,系统对中断T0除外 分2步处理,第 1步是中断响应,第 2步是中断处理 , 共有 3种处理方式；1 在中断发生之前不存在实时任务,并且在中断

13、处理过程中也没有其他的中断发生；中断响应：系统进入临界区,储存当前任务的信息,退出临界区并返回系统；中断处理：由调度器将该中断任务设置为实时任务并执行到终止,系统进入临界区,复原被打断的非 实时任务的信息 ,并执行该任务；2 在中断发生之前不存在实时任务,但在中断处理过程中有其他的中断发生；中断响应 :系统 进入临界区,储存当前任务的信息,退出临界区并返回系统；中断处理：由调度器将该中 断任务设置为实时任务并执行到终止,挑选所发生的中断中急需处理的任务设置为实时任 务并立刻执行该任务；3 在中断发生之前已存在实时任务,无论在中断处理过程中有没有其他的中断发生,系统的 处理过程都是一样的；中断响

14、应：系统进入临界区,修改中断发生标识,退出临界区并返 回系统；中断处理：系统连续执行当前实时任务直到终止,挑选所发生的中断中急需处理 的任务设置为实时任务并立刻执行该任务；临界区是指在此段时间内,不答应有任何大事 来打断当前任务,比如在爱护和复原中断现场时,为了防止现场信息受到破坏,一般会关掉中断进行处理；如外部中断1的处理程序如下通过外部中断 1和P1口扩展了 4个中断,外部中断 1比外部中断 0的优先级低 ；#define init_open EA = 1 / / CPU 开中断 #define init_close EA = 0 / / CPU 关中断extern unsigned ch

15、ar data init_symbol = 0xE0 / / 该变量低 5位 ,表示 5个中断发生的标识 表示中断 0,其4位分别对应 P110P113扩展的中断 ,第 5位低到高extern unsigned char data real_task = 0 void init1_resp void interrup t 3 using 3 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 init_close ；if real_task = = 0 / / 储存当前任务现场 else / /保留 P1的

16、低 4位,第5位清零 ,然后与 init_sym2bol 相或 real_task + + ；init_open ；/ /返回系统 void init1_deal void if real_task = = 1 / / 执行中断处理程序 init_close ；/ /复原任务现场 init_open ；real_task - - ；/ /返回系统执行被中断的任务 else / / 连续当前任务 real_task - - ；/ /判定下一个优先级高的中断并调用该中断处理程序 代码略 3.7 储备器治理使用链表对储备器进行治理,对每个未安排的闲暇区按位置次序进行拉链,每次安排时,从头搜寻闲暇表,

17、找到第1个满意要求的闲暇区就进行安排,但其大小不肯定刚好等于所需要的 ,将其分成 2个区, 1个按所需安排出去,另 1个就仍为闲暇区并留在原位置,链表 的数据结构定义如下：typedef struct MEM_chaintb 3 p rve, 3 next ； / /前指针和后指针 unsigned int addr_start ； / /闲暇区的起始地址 unsigned int addr_size； / /闲暇区的大小 以字节为单位运算 MEM_TABLE；3.8 外围设备的治理外部设备主要使用该外设对应的驱动程序；每个所使用到的设备都有自己的私有储备名师归纳总结 空间 ,数据结构随设备的

18、类型不同有所变化；对于需要CPU周期性服务的设备如本系统中的第 5 页,共 7 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用LCD 和键盘 ,给它们安排相应的任务,与用户任务一起调度,实现起来比较简洁；有些设备具有自己的中断 如串口 ,就可以利用消息队列将用户任务需要的服务通过消息队列排队、缓冲起来,利用中断功能服务；对于既没有自己的中断又不需要 CPU周期性服务而且速度较慢的设备,定义一个宏,在宏中申请信号量,然后调用对设备操作的函数并释放信号量；4、系统调试由于起初考虑只是要实现一个实时操作系统,所以笔者设计的硬件平台只是向用户供

19、应了总线接口 增大了驱动后的总线接口 、外部中断接口对外部中断进行了扩展 和I/O 口RAM 的地址空间 0FF00H0FFFFH用作了 I/O 口 , 并没有将测控增强部分模拟量、开关量和数字量的检测 及外设增强部分外设、伺服掌握和开关量掌握 放入硬件平台,但在操作系统中编写了某些模块的驱动如A /D 模块的 AD574A,ADC0809, D /A 模块的 DAC0832 等；将该操作系统烧入了程序储备器后再进行调试；4.1 键盘和 LCD 字符显示器的调试该步调试要求在 LCD 字符显示屏上显示预定键对应的英文字母；在没有其他外部大事 发生时,测试结果良好；有外部大事发生时,键盘的反应较

20、慢,有时显现不能对按键的反 应,并且 LCD 字符显示器的刷新时间间隔变长；解决方法：将软件延时程序改为用定时器进行 延时；4.2中断和外设调试中断调试要求能准时响应中断并处理中断任务短任务 ；外设调试要求能正确处理外设向 CPU发送的信息并能够将处理后的信息正确地送出去；用预留的一个 I/O口 实际是某一个地址 来模拟中断发生 , 中断采纳边沿触发方式,这样对外部地址的一个读或写操作占用的时间完全满意外部中断的高电平和低电平连续时间不短于一个状态周期的要求；用拨码开关、电阻、二极管和 74HC245 模拟输入设备；用 74HC373、电阻和二极管模拟被控的外设；要求在有中断发生时从指定设备上

21、读出数据,并将读取的数据取反,取反后的数据写入到指定的输出设备；测试结果显示,该操作系统能够在该硬件平台上良好的运行,但在模拟工业的某些环境下,在预留的接口上有时会有干扰信号输入 , 所以对系统软件进行了修改,即在操作系统进行初始化的时候,提示用户指出所用到的外部中断接口及硬件平台预留的 I/O口,系统对于除此之外的中断和预留的 I/O 口所产生的输入信号一律拒绝响应 .假如用户需要动态的增加或删除外设 , 可通过键盘进入系统设定模式进行设置 , 这时系统会通过函数 void ex_ init_set unsigned char ex_ init_num 和void ex_p rIO _ se

22、tunsigned char ex_ IO_num 来修改初始化时的用户对外部中断和外设的设定,在该模式下,系统将关掉全部外部中断和外设,只响应键盘和刷新屏幕 ,待设置完成之后再复原到系统的实时模式下；5、实时操作系统在智能温度调剂器中的应用5.1 智能温度调剂器简介智能温度调剂器由系统掌握模块、键盘模块、显示模块、温度采集模块和温度调剂模名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用块5 部分组成；系统掌握模块由单片机 AT89C51 和数据储备器 62256 组成；键盘模块由 1 个16 键键盘构成

23、；显示模块由 1 个4 16 的字符型液晶显示器组成；温度采集模块由 1个温度传感器、1片AD574A 及相关电路组成；温度掌握器由 1 片DAC0832 及相关电路组成；5.2 实时操作系统在该仪器中的应用依据该系统的功能模块将其分成 高到低进行如下排列 : 5个一般任务和 1个中断任务, 5个一般任务按优先级从数据采集任务、温度调剂任务、键盘扫描任务、键盘处理任务和显示任务；中断任务的功能是判定数据采集是否终止 .由于该仪器要求每 015 s采样 1次,屏幕每 2s刷新 1次,键盘去抖动的时间为 50 ms,故将定时器 T0的定时时间设定为 50 ms,作为调度器的基本调度时间单位；系统的

24、储备空间进行了如下划分：16个字节作为键盘输入缓冲区,64个字节作为显示输出缓冲区,8个字节作为温度调剂任务初始值的存放地址空间 包括基准值等 ,其余的作为温度采样值的储备空间,以便利观测温度的变化规律；在该系统中温度的采样值是一个特别重要的变量,涉及到数据采集、温度调剂和显示 3 个任务,因此使用信号量进行这 3个任务之间的通信；对信号量做如下设定：用 1个字的空间来存放该变量,低字节存放变量值,高字节表示现在的状态；系统中只有 1个中断任务,因此中断任务的处理相对特别简洁；6、终止语实时多任务操作系统是当前单片机软件系统的进展方向,它使整个运算机系统实现了自动化,具有高效率和高牢靠性,有用

25、价值较高；很多实时系统应用在特别重要的地方,所以对系统的牢靠性和安全性有着比较高的要求；实时操作系统在智能温度调剂器上能够稳固的运行,但该系统在牢靠性与安全性等方面仍需进一步的完善；参考文献 1 Michael J Pont. 时间触发嵌入式系统设计模式M . 周敏译 . 北京：中国电力出版社, 2004名师归纳总结 2 郑宗汉 . 实时系统软件基础M . 北京：清华高校出版社, 2003 北京 : 第 7 页,共 7 页 3 陈明计 , 周立功 . 嵌入式实时操作系统Small RTOS 51原理及应用 M . 北京航空航天高校出版社, 2004 4 谢宜仁 . 单片机有用技术问答M . 北京：人民邮电出版社, 2003 5 Michael J Pont. C 语言嵌入式系统开发M . 陈继辉译 .北京 : 中国电力出版社,2003- - - - - - -