引言

傳統(tǒng)的用戶專用鍵盤單片機軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法，主程序循環(huán)執(zhí)行，依次完成按鍵掃描、按鍵處理、串口命令接收、串口命令處理等任務(wù)。由于任務(wù)的數(shù)量少，并且每個任務(wù)執(zhí)行的操作簡單，此種設(shè)計可以使得軟件較好地滿足功能要求。但仔細分析，會發(fā)現(xiàn)程序一些可以改進的地方，如：執(zhí)行時間短的任務(wù)不得不排隊等待執(zhí)行時間長的任務(wù)的完成。此外，如果用戶的設(shè)計要求發(fā)生變化(如：專用鍵盤功能增加、按鍵數(shù)量增多、串口協(xié)議復(fù)雜化等)，原有的編程思想將很難滿足要求，程序因此無法進行移植升級而不得不重新開發(fā)。

基于RTX51實時操作系統(tǒng)進行單片機軟件設(shè)計，可以真正做到各任務(wù)并行執(zhí)行，同時，由于程序結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，可以方便地實現(xiàn)修改升級，以滿足功能較多的設(shè)計要求。

1 用戶專用鍵盤簡介

用戶專用鍵盤多使用在工業(yè)控制場合，它由按鍵和指示燈組成，對外采用RS232接口，當某個按鍵按下時，鍵盤將命令(碼值)發(fā)送計算機，同時，鍵盤接收來自計算機的命令(碼值)點亮(熄滅)某個指示燈，以指示系統(tǒng)工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)快速人機交互。用戶專用鍵盤硬件原理框圖如圖1所示。

圖中，可編程邏輯芯片實現(xiàn)單片機輸出接口擴展，其內(nèi)部包含多個輸出鎖存器。工作時，單片機輸出的地址信號經(jīng)可編程芯片內(nèi)部譯碼器譯碼產(chǎn)生片選信號，使能不同的輸出鎖存器，將數(shù)據(jù)信號輸出控制各個指示燈的亮／滅。

2 RTX51實時操作系統(tǒng)介紹

RTX51是德國Keil公司開發(fā)的一種應(yīng)用于MCS51系列單片機的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，它有兩個版本，RTX51 Full和RTX51 Tiny，本文采用

RTX51 Tiny進行軟件設(shè)計。RTX51 Tiny是一個很小的內(nèi)核，完全集成在Keil C51編譯器中，它可以很容易地運行在沒有擴展外部存儲器的單片機系統(tǒng)上，并且僅占用800字節(jié)左右的程序存儲空間。

RTX51 Tiny允許最大16個任務(wù)循環(huán)切換，在實現(xiàn)上，它采用時間片輪轉(zhuǎn)算法，系統(tǒng)每次調(diào)度時，把CPU分配給一個就緒的任務(wù)，并令其執(zhí)行一個時間片，構(gòu)成微觀上輪流運行、宏觀上并行執(zhí)行的多任務(wù)效果。RTX51 Tiny支持任務(wù)間的信號傳遞，還能并行地利用中斷功能。

RTX51 Tiny的用戶任務(wù)主要具有以下幾個狀態(tài)：

·運行(RUNNING)：任務(wù)正處于運行中。同一時刻只有一個任務(wù)可以處于“RUNNING”狀態(tài)。

·準備好(READY)：等待運行的任務(wù)處于“READY”狀態(tài)。在當前運行的任務(wù)退出運行狀態(tài)后，就緒隊列中的任務(wù)根據(jù)調(diào)度策略被調(diào)度執(zhí)行，進入到運行狀態(tài)。

·等待(BLOCKED)：等待一個事件的任務(wù)處于“BLOCKED”狀態(tài)。如果等待的事件發(fā)生，則此任務(wù)進入“READY”狀態(tài)，等待被調(diào)度。

RTX51 Tiny內(nèi)核用以下事件進行任務(wù)問的通信和同步：

·超時(TIMEOUT)：由OS-wait函數(shù)調(diào)用引發(fā)的時間延時，持續(xù)時間可由定時節(jié)拍數(shù)確定。帶有TIMEOUT值調(diào)用OS-it函數(shù)的任務(wù)將被掛起，直到延時結(jié)束，才返回到“READY”。

·間隔(INTERVAL)：由OS-wait函數(shù)調(diào)用引發(fā)的時間間隔，其間隔時間可由定時節(jié)拍數(shù)確定。帶有INTERVAL值調(diào)用wait函數(shù)的任務(wù)將被掛起，直到間隔時間結(jié)束，然后返回到READY狀態(tài)。與TIMEOUT不同的是，任務(wù)的節(jié)拍計數(shù)器不復(fù)位，典型應(yīng)用是產(chǎn)生時鐘。

·信號(SIGNAL)：系統(tǒng)定義的位變量，可以由系統(tǒng)函數(shù)置位或清除。可以調(diào)用OS-wait函數(shù)暫停一個任務(wù)并等待從另一任務(wù)發(fā)出的信號，這可以用于協(xié)調(diào)兩個或更多的任務(wù)。如果某個任務(wù)在等待一個信號并且信號標志為0，則在收到這個信號之前，這個任務(wù)將一直處于掛起狀態(tài)。如果信號標志已經(jīng)被置1，則當任務(wù)查詢信號時，信號標志會被清除，任務(wù)將可以被繼續(xù)執(zhí)行。

3 用戶專用鍵盤軟件設(shè)計

3．1 任務(wù)分配

根據(jù)前面對用戶專用鍵盤功能的描述，它主要實現(xiàn)以下兩個功能：

(1)按鍵處理；

(2)串口數(shù)據(jù)處理。

其中功能(1)又可細分為以下三個任務(wù)：

任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描；

任務(wù)2：按鍵碼值查詢；

任務(wù)3：串口發(fā)送；

同樣，功能(2)也可細分為以下兩個任務(wù)：

任務(wù)4：串口接收；

任務(wù)5：串口數(shù)據(jù)處理；

以上兩個功能需要并行運行，而內(nèi)部的子任務(wù)之間為前級驅(qū)動后級的關(guān)系，在程序?qū)嶋H運行過程中，功能二(2)的任意子任務(wù)可能與功能(1)的任務(wù)1或任務(wù)2或任務(wù)3處于同時并行運行狀態(tài)，鑒于此，需要在程序設(shè)計時創(chuàng)建5個子任務(wù)。

采用時間輪詢的方式?jīng)Q定了某個任務(wù)在執(zhí)行完時間片后，在下一次執(zhí)行前需要等待固定的時間，這個時間與系統(tǒng)的任務(wù)數(shù)及每個任務(wù)的執(zhí)行時間密切相關(guān)，為避免數(shù)據(jù)丟失，串口接收任務(wù)應(yīng)及時讀取接收緩存器中的數(shù)據(jù)。由于中斷處理過程與正在運行的任務(wù)是相互獨立的，即中斷處理過程在RTX51系統(tǒng)內(nèi)核之外和任務(wù)切換規(guī)則沒有關(guān)聯(lián)，因此可以在串口中斷服務(wù)程序中完成串口接收任務(wù)。另外，串口發(fā)送時要求將整個按鍵碼值數(shù)據(jù)包一次性發(fā)送完畢，如果將串口發(fā)送過程在中斷服務(wù)程序中完成，在SBUF緩存器發(fā)送完一個字節(jié)后觸發(fā)串口發(fā)送中斷標志，再次進入中斷服務(wù)程序繼續(xù)下一字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送，則可以方便地實現(xiàn)上述要求。根據(jù)以上分析，串口接收、串口發(fā)送兩個子任務(wù)的功能在中斷服務(wù)程序中完成，將系統(tǒng)子任務(wù)的個數(shù)由5個減少為3個，調(diào)整后的任務(wù)分配如下：

任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描(TASK SCAN)；

任務(wù)2：按鍵碼值查詢(TASK KEY)；

任務(wù)3：串口數(shù)據(jù)處理((TASK LIGHT))；

中斷服務(wù)程序：串口接收、發(fā)送。

任務(wù)間信號關(guān)系如圖2所示。

如圖，任務(wù)1在檢測到按鍵狀態(tài)變化后向任務(wù)2發(fā)送信號，任務(wù)2隨后由等待狀態(tài)進入“準備好”狀態(tài)，在本任務(wù)的下一個時間片，任務(wù)2開始進行指定位置按鍵的碼值查詢，然后通過串口完成碼值發(fā)送。

同時，串口數(shù)據(jù)通過中斷服務(wù)程序接收，串口數(shù)據(jù)接收后即發(fā)送信號給任務(wù)3，使后者進入“準備好”狀態(tài)，并在下一個時間片到來后進行數(shù)據(jù)處理。

以上三個任務(wù)中，任務(wù)l始終處于“運行”或“準備好”狀態(tài)，任務(wù)2、任務(wù)3大多數(shù)時間處于“等待”狀態(tài)，任務(wù)2、任務(wù)3分別在接收到按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)、中斷服務(wù)程序的信號后被“喚起”。另有任務(wù)0，負責創(chuàng)建任務(wù)1、2、3，然后刪除自己。任務(wù)0簡化程序如下所示：

#define INIT 0／*任務(wù)0：初始化及創(chuàng)建*／

#define SCAN 1／*任務(wù)1：按鍵狀態(tài)掃描*／

#define KEY 2／*任務(wù)2：按鍵碼值查詢*／

#define LIGHT 3／*任務(wù)3：串口數(shù)據(jù)處理*／

Init()_task_INIT{

Serial_init()；

Os_create task(SCAN)；

Os_create_task(KEY)；

Os_create_task(LIGHT)；

Os_delete-task(INIT)；

}

以下對中斷服務(wù)程序及各個任務(wù)分別予以介紹。

3．2 中斷服務(wù)程序

用戶專用鍵盤串口接收、發(fā)送中斷服務(wù)程序流程如圖3所示。

由于中斷可能由發(fā)送控制器或接收控制器引起，因此在程序中首先要判斷是接收中斷還是發(fā)送中斷，然后分別進行處理。對于接收的數(shù)據(jù)，程序?qū)⑵浯嫒虢邮站彌_區(qū)，然后通知串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)進行處理。
用戶專用鍵盤數(shù)據(jù)的發(fā)送在中斷服務(wù)程序中完成，上一字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢產(chǎn)生中斷，進入中斷服務(wù)程序繼續(xù)完成下一字節(jié)的發(fā)送，而發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)由系統(tǒng)在按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)中存入。簡化的中斷服務(wù)程序如下：

3．3 串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)(TASK_LIGHT)

中斷服務(wù)程序只處理串口緩存器SBUF的讀取或?qū)懭耄瑪?shù)據(jù)一旦接收完畢即存入緩沖區(qū)，并在專門的任務(wù)中進行處理。在多任務(wù)系統(tǒng)的用戶專用鍵盤程序中，串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)在創(chuàng)建后即被“掛起”，此時該任務(wù)處于“等待”狀態(tài)，不占用任何時間片，只有當任務(wù)接收到“喚起”信號后才繼續(xù)執(zhí)行。本程序中“喚起”信號來自中斷服務(wù)程序。由于中斷處理過程可以同RTX51任務(wù)互發(fā)信號或交換數(shù)據(jù)，因此，中斷服務(wù)程序在接收到數(shù)據(jù)后立即發(fā)送信號量給串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)，使后者處于“準備好”狀態(tài)，當下一時間片來到時，串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，完成數(shù)據(jù)解析及控制指示燈等操作。由于該任務(wù)為循環(huán)操作，當所有接收的數(shù)據(jù)處理完畢后，任務(wù)再次進入“等待”狀態(tài)，等待下一次串口數(shù)據(jù)接收后的處理。圖3中，斜體部分即為中斷服務(wù)程序發(fā)送信號至串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)的過程。串口數(shù)據(jù)處理任務(wù)的簡化程序如下：

3．4 按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)(TASK SCAN)

按鍵狀態(tài)掃描為一個循環(huán)執(zhí)行的任務(wù)，程序通過不斷地讀取單片機IO口的值獲取每個按鍵的當前狀態(tài)，然后將當前狀態(tài)值