51单片机多任务的原理及其实现

51单片机多任务操作系统的原理与实现

51单片机多任务操作系统的原理与实现

-- 一个超轻量级的操作系统

前言

想了很久,要不要写这篇文章?最后觉得对操作系统感兴趣的人还是很多,写吧.我不一定能造出玉,但我可以抛出砖.

包括我在内的很多人都对51使用操作系统呈悲观态度,因为51的片上资源太少.但对于很多要求不高的系统来说,使用操作系统可以使代码变得更直观,易于维护,所以在51上仍有操作系统的生存机会.

流行的uCos,Tiny51等,其实都不适合在2051这样的片子上用,占资源较多,唯有自已动手,以不变应万变,才能让51也有操作系统可用.这篇贴子的目的,是教会大家如何现场写一个OS,而不是给大家提供一个OS版本.提供的所有代码,也都是示例代码,所以不要因为它没什么功能就说LAJI之类的话.如果把功能写全了,一来估计你也不想看了,二来也失去灵活性没有价值了.

下面的贴一个示例出来,可以清楚的看到,OS本身只有不到10行源代码,编译后的目标代码60字节,任务切换消耗为20个机器周期.相比之下,KEIL内嵌的TINY51目标代码为800字节,切换消耗100~700周期.唯一不足之处是,每个任务要占用掉十几字节的堆栈,所以任务数不能太多,用在128B内存的51里有点难度,但对于52来说问题不大.这套代码在36M主频的STC12C4052上实测,切换任务仅需2uS.

#include

#define MAX_TASKS 2 //任务槽个数.必须和实际任务数一至

#define MAX_TASK_DEP 12 //最大栈深.最低不得少于2个,保守值为12.

unsigned char idata task_stack[MAX_TASKS][MAX_TASK_DEP]; //任务堆栈.

unsigned char task_id; //当前活动任务号

//任务切换函数(任务调度器)

void task_switch(){

task_sp[task_id] = SP;

if(++task_id == MAX_TASKS)

task_id = 0;

SP = task_sp[task_id];

}

//任务装入函数.将指定的函数(参数1)装入指定(参数2)的任务槽中.如果该槽

中原来就有任务,则原任务丢失,但系统本身不会发生错误.

void task_load(unsigned int fn, unsigned char tid)

{

task_sp[tid] = task_stack[tid] + 1;

task_stack[tid][0] = (unsigned int)fn & 0xff;

task_stack[tid][1] = (unsigned int)fn >> 8;

}

//从指定的任务开始运行任务调度.调用该宏后,将永不返回.

#define os_start(tid) {task_id = tid,SP = task_sp[tid];return;}

/*======================以下为测试代码======================*/

void task1()

{

static unsigned char i;

while(1){

i++;

task_switch(); //编译后在这里打上断点

}

}

void task2()

{

static unsigned char j;

while(1){

j+=2;

task_switch(); //编译后在这里打上断点

}

}

void main()

{

//这里装载了两个任务,因此在定义MAX_TASKS时也必须定义为2

task_load(task1, 0); //将task1函数装入0号槽

task_load(task2, 1); //将task2函数装入1号槽

os_start(0);

}

这样一个简单的多任务系统虽然不能称得上真正的操作系统,但只要你了解了它的原理,就能轻易地将它扩展得非常强大,想知道要如何做吗?

一.什么是操作系统?

人脑比较容易接受"类比"这种表达方式,我就用"公交系统"来类比"操作系统"吧.

当我们要解决一个问题的时候,是用某种处理手段去完成它,这就是我们常说的"方法",计算机里叫"程序"(有时候也可以叫它"算法").

以出行为例,当我们要从A地走到B地的时候,可以走着去,也可以飞着去,可以走直线,也可以绕弯路,只要能从A地到B地,都叫作方法.这种从A地到B的需求,相当于计算机里的"任务",而实现从A地到B地的方法,叫作"任务处理流程" 很显然,这些走法中,并不是每种都合理,有些傻子都会采用的,有些是傻子都不采会用的.用计算机的话来说就是,有的任务处理流程好,有的任务处理流程好,有的处理流程差.

可以归纳出这么几种真正算得上方法的方法:

有些走法比较快速,适合于赶时间的人;有些走法比较省事,适合于懒人;有些走法比较便宜,适合于穷人.

用计算机的话说就是,有些省CPU,有些流程简单,有些对系统资源要求低.

现在我们可以看到一个问题:

如果全世界所有的资源给你一个人用(单任务独占全部资源),那最适合你需求的方法就是好方法.但事实上要外出的人很多,例如10个人(10个任务),却只有1辆车(1套资源),这叫作"资源争用".

如果每个人都要使用最适合他需求的方法,那司机就只好给他们一人跑一趟了,而在任一时刻里,车上只有一个乘客.这叫作"顺序执行",我们可以看到这种方法对系统资源的浪费是严重的.

如果我们没有法力将1台车变成10台车来送这10个人,就只好制定一些机制和约定,让1台车看起来像10台车,来解决这个问题的办法想必大家都知道,那就是制定公交线路.

最简单的办法是将所有旅客需要走的起点与终点串成一条线,车在这条线上开,乘客则自已决定上下车.这就是最简单的公交线路.它很差劲,但起码解决客人们对车争用.对应到计算机里,就是把所有任务的代码混在一起执行.

这样做既不优异雅,也没效率,于是司机想了个办法,把这些客户叫到一起商量,将所有客人出行的起点与终点罗列出来,统计这些线路的使用频度,然后制定出公交线路:有些路线可以合并起来成为一条线路,而那些不能合并的路线,则另行开辟行车车次,这叫作"任务定义".另外,对于人多路线,车次排多点,时间上也优先安排,这叫作"任务优先级".

经过这样的安排后,虽然仍只有一辆车,但运载能力却大多了.这套车次/路线的按排,就是一套"公交系统".哈,知道什么叫操作系统了吧?它也就是这么样的一种约定.

操作系统:

我们先回过头归纳一下:

汽车系统资源.主要指的是CPU,当然还有其它,比如内存,定时器,中断源等.

客户出

行

任务

正在走的路

线