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(dāng)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(zhǔn)備好(READY):等待運行的任務(wù)處于“READY”狀態(tài)。在當(dāng)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(biāo)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(biāo)志已經(jīng)被置1,則當(dāng)任務(wù)查詢信號時,信號標(biāo)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(xì)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(xì)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(biāo)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(fù)責(zé)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?,?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(dāng)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(zhǔn)備好”狀態(tài),當(dāng)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(dāng)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(dāng)前狀態(tài),然后將當(dāng)前狀態(tài)值與存儲在內(nèi)存中的上一次狀態(tài)值進行比較,通過比較結(jié)果判斷該按鍵狀態(tài)是否發(fā)生變化。為消除按鍵按下時抖動造成的多次狀態(tài)變化,在掃描到某個按鍵狀態(tài)發(fā)生改變后,延時一段時間后進行第二次掃描,如果兩次掃描結(jié)果相同則認(rèn)為該按鍵狀態(tài)確實發(fā)生改變,并轉(zhuǎn)入下一步處理。按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)流程如圖4所示。
下面給出按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)簡化的源程序:
Scan()_task_SCAN{/*按鍵狀態(tài)掃描任務(wù)*/
…
While(1){
Key_first_scan();/*第1次掃描*/
If(Keychanged=1){
Os_wait(K_TMO,2,0)/*延時*/
Key_second_scan();/*第2次掃描*/
If(first scan=second scan){/*如果兩次掃描的按鍵狀態(tài)一致*/
os_send_signal(2);/*發(fā)送信號至按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)+/
}
}
}
}
程序中,采用等待超時信號(K_TMO)來實現(xiàn)兩次掃描間的延時,這樣設(shè)計的好處是,在延時期間,由于本任務(wù)處于“等待”狀態(tài),系統(tǒng)可以進行任務(wù)切換,使其它任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行,從而在保證系統(tǒng)功能的前提下,提高整個系統(tǒng)的工作效率。需要注意的是,K_TMO是等待產(chǎn)生超時信號,當(dāng)信號產(chǎn)生后,只是將相應(yīng)的任務(wù)置上“準(zhǔn)備好”標(biāo)志位,任務(wù)并不是立即就能夠運行,任務(wù)需要等到其它任務(wù)輪流執(zhí)行,到自己的時間片后才會執(zhí)行。這樣,最后的延時效果是延時時間加上正在運行的任務(wù)的執(zhí)行時間。在用戶專用鍵盤軟件中,同時可能在運行的任務(wù)只有“串口數(shù)據(jù)處理”。由于該任務(wù)運行時間與K TMO延時時間比較少很多,因此可以忽略不計,而認(rèn)為兩次掃描間的延時時間就是K_TMO的時間。假設(shè)同時運行的任務(wù)較多,并且每個任務(wù)占用的時間較長,則延時時間應(yīng)該取K_TMO加上所有同時運行任務(wù)的執(zhí)行時間之和,即按鍵按下的時間必須不小于此時間,才能保證每次按鍵操作都能正確響應(yīng)。
3.5 按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)(TASK KEY)
按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)程序流程如圖5所示。
由于發(fā)送數(shù)據(jù)在串口中斷服務(wù)程序中完成,因此,在將數(shù)據(jù)存入發(fā)送緩沖區(qū)之前必須確認(rèn)緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)即串口發(fā)送中斷會被再次觸發(fā),否則只有將數(shù)據(jù)寫入串口發(fā)送緩存器SBUF直接發(fā)送。
下面給出按鍵碼值查詢?nèi)蝿?wù)簡化的源程序:
Encode()_task_KEY{
…
While(1){
Os_wait(K_SIG,0,0);/*等待鍵碼查詢信號*/
Keygetcode();/*獲取鍵碼值*/
If(sendempty=1){/*判斷發(fā)送緩沖區(qū)是否為“空”*/
SBUF=keycode;/*發(fā)送緩沖區(qū)為”空”,則直接發(fā)送*/
}Else{
Outbuf[i++]=keycode;/*否則,將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū),*/
/*待上一數(shù)據(jù)發(fā)送完后自動發(fā)送*/
}
}
}
4 結(jié)論
實踐證明,在引入RTX51 Tiny實時操作系統(tǒng)后,軟件開發(fā)周期縮短,程序結(jié)構(gòu)更加清晰,系統(tǒng)實時性和并行性大大增強,開發(fā)出的程序具有較高的可維護性和可移植性。