基于8051系列单片机的实时操作系统设计.doc

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、仪器仪表、通信等领域，为了避免其软件开发的重复性工作，提高所编软件的可靠性， 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。 单片机在嵌入式微控制系统应用中具有十分重要的地位。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控制产品的研制效率，缩短开发时问,有利于多人的分工协作，用RTOS开发的产品稳定性、可靠性也会得到提高。 2、硬件平台简介 2.1 8051系列微控制器简介 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，不支持片外存储器，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 总线控制器、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存储器，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的微控制器是标准8051 系列芯片。因为小型以及扩展的8051系列芯片都是由标准8051系列芯片衍变而来，所以本系统也可以在任何基于8051系列芯片的嵌入式系统上进行移植。 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控制接口构成。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AT89C51单片机为核心的单片机系统硬件平台上实现的，其结构如图1所示。 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事件个数。 实时任务具有截止期，分硬实时、软实时和固实时。硬实时是指如果响应超过了任务截止期，可能会导致严重后果；软实时是指虽然响应超过了任务截止期，但还是有一定的价值； 固实时是指如果超过了截止期才响应处理，就完全没有价值了。实时任务具有可预测性，在最坏情况下的任务的执行时间以及所需数据和资源，都要求对最坏情况的预测与实际的差别尽可能的小，即使在出现峰值负载时, 也应满足其截止期。 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管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一定差别的，有其自己的一些重要特征，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，通常采用事件触发和时间触发2种方式来实现。 事件触发行为往往通过使用中断实现，事件触发系统在系统总体结构上往往通过提供多级中断服务程序来支持该功能。如果多个中断源可能在“随机的”时间间隔产生中断，则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，将可能出现中断信息丢失的情况。例如，有高优先级的中断1 发生，并在极短的时间内又发生了中断2，这时无论中断2是高优先级还是低优先级中断，中断2的响应都会被延迟，并在一些情况下(如被延迟时间过长等)被完全忽略。 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安排可控的顺序，保证一次只处理一个事件，提高了系统的可靠性并降低CPU的负荷，减少存储器的使用量。 3.4 调度器的设计 调度器可以看作是一个简单的操作系统。从底层的角度来看，调度器可看作是一个由许多不同任务共享的定时器中断服务程序，允许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：合作式调度器提供的是一种单任务的系统结构，比较简单，用很少的代码就可实现，每次只需为一个任务分配存储器，具有可预测性和可靠性，但是在当前的程序运行期间，系统对外界的变化不敏感；抢占式调度器提供了一种多任务的系统结构，比较复杂，必须为抢占任务的所有中间状态分配存储器，对外部事件的响应速度快，但其可预测性和可靠性较低。 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