课程设计（论文）-基于实时操作系统的单片机多任务应用程序设计.doc

重庆科技学院重庆科技学院 课程设计报告课程设计报告 院（系）:_电气与信息工程学院_ 专业班级: 计科普 2008-02 学生姓名: 学 号: 设计地点（单位）_ _ i515_ _ _ 设计题目:_ 基于实时操作系统的单片机多任务应用程序设计_ 完成日期： 2011 年 7 月 4 日 指导教师评语: _ _ _ _ _ _ _ _ 成绩（五级记分制）:_ _ _ 指导教师（签字）:_ _ _ 重庆科技学院重庆科技学院 课程设计任务书课程设计任务书 设计题目：基于实时操作系统的单片机多任务应用程序设计 学生姓名 课程名称 实时操作系统 （ucos-ii） 专业班级计科普 2008 地 点 i313 起止时间2011 年 6 月 27 日-2011 年 7 月 8 日 设 计 内 容 及 要 求 1、 充分消化 ucos-ii 内核，理解其内核架构。体会相关数据结构的设计。 2、 在第 1 步的基础上，消化 small rtos51 内核。弄清其为了实现在 128 个字节的 单片机环境下在内核的数据结构做了如何优化设计。 3、 将 small rtos51 移植到 mcs-51 单片机的最小系统板上，使在上面进行正常运 行。 4、 基于 small rtos51 平台的 mcs-51 单片机上，编写： （1）led 显示驱动程序。 （2）键盘扫描驱动程序。 （3）串口通信接收和发送驱动程序 5、 在前面的基础上完成一个基于 small rtos51 的多任务应用程序，并在 mcs-51 最小系统板上调试通过。 设 计 参 数 1、 写出 ucos-ii 内核的架构 2、 比较 small rtos 与 ucos-ii 实时操作系统的异同，及各自优缺点。 3、 实现 small rtos 在 mcs-51 最小系统板上的移植，写清移植原理和步骤。 4、 至少实现设计要求中的三个驱动程序中的二个及以上。 5、 结合自已在课程中、平时或竞赛中涉及的题目，改用基于 small rtos 进行 实现（系统必须实现的多任务应用程序在 mcs-51 上应能稳定的运行） 。 进 度 要 求 6 月 27 完成 ucos-ii 内核架构剖析，6 月 27 日-29 日完成 small rtos51 内核的分 析。6 月 30 日完成 small rtos51 向 mcs-51 单片机最小系统板的移植。7 月 1 日-7 月 2 日完成相关驱动程序的编写和调试。7 月 3 日-7 月 6 日完成相应在多任务应用 程序的编写，并集成到 mcs-51 最小系统板上，使其稳定运行。7 月 7 日设计志成果 汇报和答辩。7 月 8 日完成设计报告。 参 考 资 料 其 它 说 明 .本表应在每次实施前一周由负责教师填写二份，院系审批后交院系办备案，一 份由负责教师留用。.若填写内容较多可另纸附后。 3.一题多名学生共用的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区别。 教研室主任： 指导教师： 年 月 日 i 摘要 嵌入式系统是软件和硬件的综合体，嵌入式系统是与应用紧密结合的，具 有很强专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利用。 本设计任务是基于实时操作系统的单片机多任务应用程序设计。通过深入 剖析 c/os-内核架构，之后理解和读懂 small rtos 微型嵌入式操作系统的 内核。实现多任务的驱动程序，实现 led 驱动、串口驱动和键盘驱动。 关键词：嵌入式系统 实时 多任务 驱动 ii 目目 录录 1 系统需求分析1 1.1 设计内容与目的 .1 1.2 设计的实现方案.1 2.总体设计2 2.1 设计模块图.2 2.2 ucos-ii 内核架构 .2 2.3 small rtos 与uc/os-ii 的异同5 2.4 small rtos 移植到单片机5 2.4 small rtos 驱动程序9 3 详细设计10 3.1led 驱动程序 .10 3.2 键盘驱动程序 .14 3.3 串口收发驱动程序 .17 3.4 功能实现 20 4. 设计总结21 5 致谢22 6 参考文献23 1 1 1 系统需求分析系统需求分析 1.1 设计内容与目的 本课程完成的主要内容有：本课程完成的主要内容有： (1)写出 c/os-内核的架构。 (2)比较 small rtos 与 c/os-实时操作系统的异同，及各自优缺点。 (3)实现 small rtos 在 mcs-51 最小系统板上的移植，写清移植原理和步骤。 (4)至少实现设计要求中的三个驱动程序中的二个及以上。 本课程设计的目的是：本课程设计的目的是： 通过该课程设计学习，深入理解嵌入式操作系统的作用，c/os-内核 的架构。深入理解 small rtos 内核架构，学会移植 small rtos 到单片机上， 并在单片机上运行应用程序。 1.2 设计的实现方案 本设计在 51 单片机上移植小系统，并且在小系统上编写多任务驱动程序。 驱动程序包括：led 驱动、串口驱动和键盘驱动。 驱动的设计可以用多任务实现，这样可以让系统更加稳定，减少开发时间。 2 2.2.总体设计总体设计 2.1 设计模块图 该设计的功能模块如下图所示： 微型操作系统 small rtos 移植 small rtos 到 51 单片机上 编写 led 驱动 程序 编 写 键盘 驱动 程序 编 写 串 口 收 发 程 序 图 2.1 功能模块图 2.2 ucos-ii 内核架构 作为一个轻量级的操作系统，c/os-提供的功能包括：任务管理、中断 管理、时间管理、信号量、邮箱、消息队列、互斥信号量等，可基本满足较小 系统的需要。c/os-内核支持优先级调度算法，每个任务可根据重要程度的 不同被赋予一定的优先级，cpu 总是让处于就绪态的、优先级最高的任务先运 行。 c/os-的实时内核都是可剥夺型内核。最高优先级的任务一旦就绪，总 能得到 cpu 的控制权。当一个运行着的任务使一个比它优先级高的任务进入了 就绪态，当前任务的 cpu 使用权就被剥夺了，或者说被挂起了，那个高优先级 3 的任务立刻得到了 cpu 的控制权。如果是中断服务子程序使一个高优先级的任 务进入就绪态，中断完成时，中断了的任务被挂起，优先级高的那个任务开始 运行。 1.c/os-1.c/os-的特点的特点 可移植性可移植性 c/os-绝大部分的源码是用移植性很强的 ansi c 写的。和微处理器硬件相 关的那部分是用汇编语言写的。汇编语言写的部分已经压到最低限度，使得 c/os-便于移植到其他微处理器上。 可裁剪可裁剪 可以只使用 c/os-中应用程序需要的那些系统服务。这样可以减少产品 中的 c/os-所需的存储空间（ram 和 rom），这种可裁剪性是靠条件编译实 现的。 占先式占先式 c/os-完全是占先式的实时内核。这意味着 c/os-总是运行就绪条 件下任务级最高的任务。 多任务多任务 c/os-最多只能管理 64 个任务，包括空闲任务和统计任务。同时赋予 每个任务的优先级必须是不同的，c/os-不支持时间片轮转法。 任务栈任务栈 每个任务有自己单独的栈，c/os-允许每个任务有不同的栈空间。以便 压低应用程序对 ram 的需求。 系统服务系统服务 c/os-提供一些系统服务，例如消息队列、信号量、互斥信号量、时间 相关函数等。 中断管理中断管理 中断可以使正在执行的任务暂时挂起。如果优先级更高的任务被该中断唤 醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层数可达 255 层。 4 实时性实时性 c/os-对实时任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断 响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2.uc/os-ii2.uc/os-ii 组成部分组成部分 uc/os-ii 大致可以分成系统核心(包含任务调度)、任务管理、时间管理、 多任务同步与通信、内存管理、cpu 移植等部分。 (1) 核心部分(oscore.c) ：uc/os-ii 处理核心，包括初始化、启动、中断 管理、时钟中断、任务调度及事件处理等用于系统基本维持的函数。 (2) 任务管理(ostask.c) ：包含与任务操作密切相关的函数，包括任务建 立、删除、挂起及恢复等，uc/os ii 以任务为基本单位进行调度。 (3) 时钟部分(ostime.c) ：uc/os-ii 中最小时钟单位是 timetick（时钟节 拍），其中包含时间延迟、时钟设置及时钟恢复等与时钟相关的函数。 (4) 多任务同步与通信(osmbox.c, osq.c, ossem.c, osmutex.c, osflag.c)： 包含事件管理函数，涉及 mbox、msgq、sem、mutex、flag 等。 (5) 内存管理部分(osmem.c)：主要用于构建私有的内存分区管理机制，其 中包含创建 mempart、申请/释放 mempart、获取分区信息等函数。 (6) cpu 接口部分：uc/os-ii 针对特定 cpu 的移植部分，由于牵涉到 sp 等系统指针，通常用汇编语言编写，包括任务切换、中断处理等内容。 3.uc/os-ii 任务调度任务调度 uc/os-ii 采用基于优先级的调度算法，总是选择当前处于就绪状态的优先 级最高的任务进行调度。uc/os-ii 是可抢占性的强实时性 os，在完成中断后允 许进行新的任务调度。 uc/os-ii 有两种调度方式：任务级任务调度、中断级任务调度。有两种调度方式：任务级任务调度、中断级任务调度。 （1）任务级任务调度 指在非中断返回时进行任务调度，一般发生在当前任务因时间延迟或等待 某事件而阻塞或被挂起，或有更高优先级的任务处于就绪状态。 任务的基本信息： cpu 的 pc 寄存器：任务当前执行的位置； cpu 的通用寄存器：任务当前执行涉及的临时数据； 5 cpu 的状态寄存器：存储当前 cpu 的状态。 任务级任务切换：从一个任务直接切换至另一个任务，不涉及 cpu 状态的 切换，os_task_sw()既保存当前任务上下文，又恢复新任务上下文。 过程：os_sched()- os_task_sw() （2）中断级任务调度 在中断处理完成后，通过 osintexit()判断是否有更高优先级就绪任务。如果 有，调用 osintctxsw()恢复新任务上下文。在中断处理中，已经保存了被中断 任务的上下文，所以这里仅仅恢复。 过程：osintext() osintenter() - isr osintexit() - osintctxsw() 2.3 small rtos 与uc/os-ii的异同 1.small rtos 和 uc/os-ii 的相同点有： (1)都是抢占式微型操作系统。 (2)调度算法都是基于优先级的调度算法。 (3)两种调度方式：任务级别任务调度和中断级别任务调度。 (4)任务间可以进行消息通信。 (5)可以实现调度器上锁和解锁。 (6)具有空闲任务，并且空闲任务优先级最低。 2. small rtos 和 uc/os-ii 的不同点有： (1) uc/os-ii 最多可以管理 64 个任务，而 small rtos 最多只能管理 16 个任务。 (2) uc/os-ii 可以删除任务，而 small rtos 不能删除任务。 (3) uc/os-ii 每个任务拥有独立的堆栈，而 small rtos 共享堆栈。 (4) uc/os-ii 有邮箱通信方式，而 small rtos 没有。 2.4 small rtos 移植到单片机 small rtos的移植步骤和方法如下： 6 （1） 在os_cpu.h中定义几个宏（以keil c51为例）: #define os_int_enter() osintnesting+ /* 中断嵌套管理 */ #define os_enter_critical() ea = 0,os_enter_sum+ /* 关中断*/ #define os_exit_critical() if (-os_enter_sum=0) ea = 1 #define high_byte 0 /* uint16的高位字节 */ #define low_byte 1 /* uint16的低位字节 */ #define os_task_sw() osctxsw() /* 任务切换函数 */ os_enter_critical()、os_exit_critical()分别定义为关中断和开 中断在特定的c编译器的表示方法。 high_byte、low_byte定义uint16型变量在特定的c编译器的存储方法， 如果高位字节的地址小于低位字节的地址（如keil c51） ，则 high_byte为0，low_byte为1。否则（如8086系列） ，high_byte为1， low_byte为0。 os_int_enter则将变量osintnesting加1。它仅在中断服务程序中使用。 注意：如果中断嵌套层数可能超过255，os_int_enter要防止 osintnesting溢出。 os_task_sw()定义非中断中任务切换时执行的指令，可以是一条软中断指 令（例如在8086系列cpu上） ，或仅仅是函数调用（如keil c51） 。 （2）定义与编译器无关的变量类型（以keil c51为例）: typedef unsigned char uint8; /* 定义可移植的无符号8位整数关键字 */ typedef signed char int8; /* 定义可移植的有符号8位整数关键字 */ typedef unsigned int uint16; /* 定义可移植的无符号16位整数关键字 */ typedef signed int int16; /* 定义可移植的有符号16位整数关键字 */ typedef unsigned long uint32; /* 定义可移植的无符号32位整数关键字 */ 7 typedef signed long int32; /* 定义可移植的有符号32位整数关键字 */ （3）在os_cpu_c.c和os_cpu_a.asm中定义几个函数： osstart、osintctxsw、ostickisr、osidle和os_task_sw()最终调用的 函数或中断。 osstart:初始化任务并让id为0的任务执行。同时允许中断。 定义如下： void osstart(void) 初始化除id为0以外所有任务堆栈; ostaskid = 0; 使堆栈指针指向id为0的任务堆栈空间; os_exit_critical(); 使程序指针指向id为0的任务的程序首地址; osintctxsw:中断中任务切换函数 定义如下： void osintctxsw(void) 堆栈指针调整为中断程序调用osintexit前的状态; 堆栈空间变换; 堆栈指针指向新的堆栈; ostaskid = osnexttaskid; 恢复任务环境; 中断返回指令; osintctxsw由osintexit直接调用，堆栈指针调整为中断程序调用 osintexit前的状态即为执行若干出栈指令。 堆栈空间变换可以参照keilc51目录下os_cpu_c.c文件中被注释的 8 c_osctxsw函数，c_osctxsw还包括 堆栈指针指向新的堆栈. ostickisr为系统节拍中断服务程序 定义如下： void ostickisr(void) #if tick_timer_sharing 1 static unsigned char ticksum=0; #endif 禁止中断; 保存任务环境; #if tick_timer_sharing 1 ticksum = (ticksum + 1) % tick_timer_sharing; if (ticksum != 0) 允许中断; 恢复任务环境; return; #endif #if en_os_int_enter 0 os_int_enter(); /* 中断开始处理 #endif 允许中断; #if user_tick_timer_en = 1 userticktimer(); /* 用户函数 #endif #if en_timer_sharing 0 9 ostimetick(); /* 调用系统时钟处理函数 #else osintsendsignal(time_isr_task_id); #endif osintexit(); /* 中断结束处理 其中有一些cpu的禁止中断和保存任务环境由cpu自动处理或是自动处 理一部分。 osidle()优先级最低的任务 定义如下： void osidle(void) while(1) /* 使cpu处于省电状态 */ os_task_sw()最终调用的函数或中断：非中断中任务切换函数 定义如下： void os_task_sw(void) 保存任务环境; 堆栈空间变换; 堆栈指针指向新的堆栈; ostaskid = osnexttaskid; 恢复任务环境; 恢复程序指针; 2.5 small rtos 驱动程序 small rtos 的驱动包括：led 驱动、键盘驱动、串口收发驱动。用系统的 10 多任务实现。 11 3 3 详细设计详细设计 3.1led 驱动程序 程序具有两个用户任务：一个显示任务（show） ；另一个是计时任务 （timesum） 。由于显示器需要 cpu 周期为其服务，所以必须使用任务来编写程 序。 void show(void) uint8 i,keytemp; /* 初始化显示缓冲区 */ showcase0 = showtable10; showcase1 = showtable10; showcase2 = showtable10; showcase3 = showtable10; while (1) for (i = 0; i = 10) timeadd3 = 0; timeadd2+; if (timeadd2 = 6) timeadd2 = 0; timeadd1+; if (timeadd1 = 10) timeadd1 = 0; timeadd0+; if(timeadd0 = 10) timeadd0 = 0; showcase0 = showtabletimeadd0; showcase1 = showtabletimeadd1; showcase2 = showtabletimeadd2; showcase3 = showtabletimeadd3; 15 计时寄存器 timeadd0为分的十位，范围为 0-9；计时寄存器 timeadd1 为分的个数，范围为 0-9；计时寄存器 timeadd2为秒得十位，范围为 0-5； 计时寄存器 timeadd3为秒的个数，范围为 0-9。 开始 点亮两个发光二 极管 延时 0.5 秒 熄灭所有发光二 极管 延时 0.5 秒 计时寄存器加一 显示当前计时值 图 3.1.2：计时任务流程图 3.2 键盘驱动程序 void keyinput(void) uint8 i; uint8 temp; osqcreate(commanddata,16); /* 创建主任务使用的消息队列 while (1) oswait(k_tmo,(os_ticks_per_sec / 50) + 1); /* 延时 20ms */ temp = keyscan(); /* 获取闭合按键位图 */ 16 if (temp = no_key) continue; oswait(k_tmo,os_ticks_per_sec / 50); /* 去抖(延时 20ms)*/ if (temp != keyscan() continue; key(temp,key_down); /* 处理按键闭合事件 */ /* 第一次连击延时 */ i = key_start / (os_ticks_per_sec / 50); do oswait(k_tmo,os_ticks_per_sec / 50); if (temp != keyscan() goto keyend; /* 按键松开 */ while (-i != 0); * 后续连击延时 */ while (1) key(temp,key_always); :/* 处理按键连击事件 */ i = key_delay / (os_ticks_per_sec / 50); do oswait(k_tmo,os_ticks_per_sec / 50); if (temp != keyscan() goto keyend; /* 按键松开 */ while (-i != 0); keyend: key(temp,key_up); /* 处理按键松开事件 */ 17 开始 初始化键盘消息的 消息队列 延时 20ms 有键按下 延时 20ms 与上次按键相同 发送 key_down 消息 等待 key_start 个时钟节 拍 与上次按键相同 发送 key_up 消息 等待 key_delay 个时 钟节拍 发送 key_up 消 息 y n ny yn 图 3.2.1 键盘任务程序流程图 uint8 keyscan(void) return keyborddata; keyscan（）只需返回键盘瞬间状态，只要按照硬件的要求扫描键盘，把信息存 入返回值即可。 18 消息处理任务：消息处理任务： void command(void) uint8 data temp; while (1) osqpend( /* 等待键盘的消息 */ /* 显示得到的消息 */ showcase0 = showtable10; showcase1 = showtable10; showcase2 = showtable10; showcase3 = showtabletemp % 10; if (temp = 10) showcase2 = showtable(temp / 10) % 10; if (temp = 100) showcase1 = showtabletemp / 100; 程序分析如下： 任务挂起等待按键消息的到来，如果有按键消息到了，该任务运行，并且将键 值显示在 led 上。 3.3 串口收发驱动程序 1.串口发送部分： （1）发送一个字节：putchar void putchar(uint8 data) os_enter_critical(); if (serialcansend = 1) serialcansend = 0; sbuf = data; else osqintpost(serialoutdata,data); os_exit_critical(); 19 程序分析： 函数中使用一个全局变量 serialcansend,用来指示当前串口的发送部分是否空 闲。如果串口的发送部分不空闲，就直接将数据加入消息队列。用 osqintpos（）发送消息是因为这个消息队列的唯一接受者是中断，发送消息不 会产生任务调度，osqintpost（）不会产生不必要的任务调度。 （2）串口发送中断 #if en_os_int_enter 0 #pragma disable #endif void comm(void) interrupt 4 uint8 data temp; if (ri = 1) #if en_os_int_enter 0 os_int_enter(); #endif ri = 0; osqintpost(serialindata,sbuf); osintexit(); return; if (ti = 1) ti = 0; if (osqaccept( else serialcansend = 1; 程序分析： 首先判断是否为发送中断；若是，则首先清除发送中断标志，然后判断消 息队列是否有消息。如果消息队列中有消息，则将数据发送出去；如果消息队 列中没有消息，则将全局变量 serialcansend 置 1，以表示串口空闲。程序需 20 要判断当前是否处于发送状态，若是则这样处理；否则退出，不管消息队列中 是否有消息。同时，在串口由接收状态转为发送状态时，需要将 ti 置 1，以产 生串口发送中断。 2 2 串口接收部分：串口接收部分： 串口接收处理任务： void recuve(void) uint8 data temp,temp1; uint8 sum; /* 建立所需要的消息队列 */ osqcreate(commanddata,16); osqcre