| 内容简介 Small RTOS51是为51系列单片机而编写的。它是完全免费的、源代码公开的多任务实时操作系统。它可在无任何外部数据存储器的单片80C51系统上运行，并且是可移植的。全书分两部分。第一部分为基础篇，介绍Small RTOS51和一些基本概念，并详细分析Small RTOS51的工作原理。第二部分为应用篇，给出部分常用硬件在Small RTOS51下驱动程序的源代码。这些源代码在DP51单片机仿真实验仪上全部调试通过，且只要经过很少的改动，或是不改动，就可以在其他环境下使用。应用篇还通过对这些源代码的分析，让读者理解基于RTOS的编程方法，并给出完整的例子让读者全面掌握基于RTOS的编程方法。 本书可以作为高等院校相关专业的课程教材、实验参考资料或课外读物，对嵌入式应用开发人员也有重要的参考价值。
前言 在激烈的竞争下，公司（特别是小公司）往往因为市场的压力，要求开发人员在较短的时间内把产品开发出来，从而导致产品不稳定和维护困难。我使用8051系列单片机，在当时是用汇编语言编写程序。我于1998年开始接触C51高级语言，从1999年开始直到现在，一直使用C语言编写8051的程序。在此期间，我经常思考如何在保证性能的前提下提高开发效率，并降低程序的维护难度。根据我的经验，使用C语言的确会提高开发效率，也能提高软件的可维护性；但仅仅依靠编程语言还远远不够，应该要建立自己的开发平台。在平台上开发，才能事半功倍。嵌入式实时操作系统（RTOS）就是一个很好的嵌入式软件的开发平台。近年来，随着半导体工业的发展，32位单片机的价格持续降低。在某些应用中，使用32位单片机的总体成本更低，而在32位单片机中不使用RTOS几乎是不可能的。因而，在嵌入式系统中使用RTOS是大势所趋。 到2001年，我下决心学习RTOS。当时我仍旧是用8051系列单片机开发产品，于是想通过一个基于51单片机的RTOS来学习它。当时基于51单片机的RTOS中比较有名气的有Keil C51所带的RTX Full和RTX Tiny及网友移植的μC/OSII。以下对这几个RTOS进行简单的介绍。 RTX51是一个用于8051系列单片机的多任务实时操作系统。有两个不同的RTX51版本可以利用。其中RTX51 Full使用四个任务优先权完成同时存在时间片轮转调度和抢先的任务切换。RTX51工作在与中断功能相似的状态下，信号和信息可以通过邮箱系统在任务之间互相传递。您可以从一存储池中分配和释放内存；可以强迫一个任务等待中断、超时，或者是从另一个任务或中断发出信号、信息。而RTX51 Tiny是一个 RTX51的子集，可以很容易地在没有任何外部存储器的单片8051系统上运转；但它仅支持时间片轮转任务切换和使用信号进行任务切换（即非抢占式的），不支持抢占式的任务切换，不包括消息队列，没有存储器池分配程序。 μC/OSII是著名的、源码公开的实时内核，可用于各类8位、16位和32位单片机或DSP。从μC/OS算起，该内核已有10余年应用史，并在诸多领域得到广泛应用。μC/OSII是一个完整、可移植、可固化和可剪裁的占先式实时多任务内核。μC/OSII是用ANSI的C语言编写的，包含一小部分汇编代码，使之可以供不同架构的微处理器使用。至今，从8位到64位，μC/OSII已在超过40种不同架构的微处理器上运行。 8051系列单片机一般只有很少的ROM和RAM资源，如P89C51只有4 KB Flash和128字节RAM。但RTX51 Full自身代码有6 K多字节，且需要大量外部RAM，又无源代码，很多时候不实用，不利于学习。RTX Tiny虽然小（自身占用900多字节ROM），但是任务没有优先级和中断管理，也无源代码，也不太实用（目前Keil已经把RTX Tiny的源码提供给其正版用户，全部是汇编代码），也不利于学习。而μC/OSII有源代码，也有配套图书，比较利于学习。但是它规模太大，又需要大量外部RAM，而且所有函数都必须是可重入函数，用在8051这类小片内RAM的单片机上有点勉强，在8051系列单片机上不太实用。 于是为了学习RTOS，也为了建立自己的开发平台，到2002年春节，我下决心自己编写一个基于8051系列单片机的RTOS，这就是Small RTOS51 V 0.50版。它使用了RTX51 Tiny的堆栈管理机制，并像μC/OSII一样是抢占式的。虽然它为51系列单片机编写，但比较容易移植到其他CPU上。 到2002年6月，经过一些实践的检验，Small RTOS51升级到 V 1.00版，这也是公开发布的第一个版本。目前Small RTOS51最新版本为V 1.12.1版，V 120.0版本也已基本完成，在本书发售时应该已经发布，读者可以到http://www.zlgmcu.com/philips/philipsembedsys.asp下载最新版。目前Small RTOS51的所有版本均可以免费在任何领域使用，详细情况请参考使用许可证（见附录A）。V 1.20.0版与V 1.12.1版相比，主要有以下改变： 支持任务动态建立与删除，函数功能向一般的RTOS靠拢；支持C51的重入函数（用关键字reentrant定义的函数）；支持动态内存分配（使用动态内存分配的任务必须使用重入栈），并增加一个对PHILIPS公司的ARM（LPC2106/LPC2105/LPC2104）的移植。
本书的原理篇（第0章到第10章）以Small RTOS51 V 1.12.1版为基础，通过分析源码介绍Small RTOS51原理。第0章源自与Small RTOS51 V 1.00版本同时发布的我撰写的文章《单片机RTOS随想曲》，即现在的绪论，主要说明学习嵌入式实时操作系统的必要性。第1章简单介绍Small RTOS51的特点、运行条件等知识。第2章通过一个简单的例子说明如何使用Small RTOS51。第3章介绍一些基本概念。第4章分析任务管理的代码。这部分是RTOS的真正核心。核心的其他部分，如消息队列、延时/超时等都可以看作是基于RTOS的中间件（或者说驱动程序）。这一章还分析了延时/超时处理代码。第5章则详细分析了Small RTOS51与CPU相关的代码，揭示了8051系列单片机如何从一个任务切换到另一个任务。对于初学者，这是RTOS中比较神秘的地方。第6章和第7章介绍Small RTOS51的两种通信方式：信号量和消息队列。它们与标准的信号量和消息队列有细微差别。第8章介绍如何把Small RTOS51移植到其他的微处理器框架上。第9章和第10章分别给出函数参考手册和系统配置手册，以便用户使用Small RTOS51。
本书的应用篇（第11章到第24章）以DP51单片机仿真实验仪为硬件基础，介绍各种常用硬件Small RTOS51下的中间件（驱动程序）的编写方法，并在最后给出一个完整的实例，说明如何编写基于RTOS的程序。这些中间件虽然基于DP51单片机仿真实验仪，但是其与硬件相关的部分基本独立，很容易移植到其他硬件上。第11章和第12章介绍DP51单片机仿真实验仪的硬件，以便用户容易读懂后面的程序。第13章简单介绍如何为Small RTOS51编写中间件（驱动程序），这对使用其他RTOS也有一定的参考价值。从第14章到第23章分别分析了各种常用硬件（LCD扫描、LCD显示、软定时器、键盘扫描、串行通信、I2C总线、串行E2PROM、串行实时时钟、CAN总线和USB）的驱动程序（中间件）的编写方法。它们都是采用首先介绍原理，然后以分析源代码的形式编写其驱动程序的写作方法，一般还给出应用实例。第24章给出一个比较完整的例子，说明如何编写基于RTOS的程序。 对于本书的出版，首先要感谢使用和关心Small RTOS51的网友，没有他们，Small RTOS51也许是昙花一现；更重要的是要感谢我的家人。Small RTOS51及本书基本上是利用业余时间编写的，我的家人使我有充足的时间完成Small RTOS51及本书。但最重要的是要感谢周立功先生及其公司的员工。本书实际上是由周立功先生负责策划的，并给本书的编写提供了很多指导和建议，而且还引用了很多广州周立功单片机技术有限公司的内部资料作为参考。参与本书编写的还有刘养海、刘英斌、黄晓清、黄绍斌。 由于我是第一次写书，且对嵌入式实时操作系统的理解并不深刻，若书中有不恰当甚至完全错误的地方，恳请各位同行指正。 陈明计
2003年8月28日
目录 第一部分 原理篇 第0章 绪论(3) 第1章 Small RTOS51简介(9)
1.1 Small RTOS51的特点(9)
1.2 Small RTOS51的运行条件(9)
1.3 Small RTOS51的存储器需求(9)
1.4 Small RTOS51的任务堆栈的计算(10)
1.5 关于可重入功能(10)
1.6 关于C51的库函数(10)
1.7 关于51系列单片机派生类型的多数据指针和数学单元(10)
1.8 关于51系列单片机的寄存器段(11)
1.9 关于局部变量(11) 第2章 基本概念(12)
2.1 嵌入式系统(12)
2.2 实时系统(12)
2.3 前、后台系统(13)
2.4 操作系统(13)
2.5 实时操作系统(14)
2.6 代码的临界区(15)
2.7 资源(15)
2.8 共享资源(15)
2.9 任务(15)
2.10 任务切换(15)
2.11 内核(16)
2.12 调度(16)
2.13 非占先式内核(16)
2.14 占先式内核(17)
2.15 可重入性(17)
2.16 任务优先级(19)
2.17 信号量(20)
2.18 死锁(20)
2.19 消息队列(21)
2.20 中断(21)
2.21 时钟节拍(22) 第3章 一个简单的例子(23)
3.1 Small RTOS51的安装及目录结构(23)
3.2 例子简介(23)
3.3 Config.h、Os_cfg.h和Os_cpu.h(24)
3.4 与编译器无关的数据类型(24)
3.5 OS_ENTER_CRITICAL()和OS_EXIT_CRITICAL()(25)
3.6 main()函数(25)
3.7 建立任务(26)
3.8 删除任务(26)
3.9 用户任务(26)
3.10 软非屏蔽中断(27)
3.11 中断服务程序的编写(28)
3.12 Os_cpu.h可改变的其他内容(28)
3.13 Small RTOS51的其他注意事项(29) 第4章 任务管理——核心的核心(30)
4.1 临界区(30)
4.2 任务(30)
4.3 任务状态(31)
4.4 与任务相关的数据结构(32)
4.5 任务调度(36)
4.6 Small RTOS51中的中断处理(39)
4.7 时钟节拍(43)
4.8 Small RTOS51初始化和启动(45)
4.9 建立任务(46)
4.10 任务堆栈(47)
4.11 删除任务(47)
4.12 时间服务及任务的挂起和恢复(47)
4.13 获取当前Small RTOS51 的版本号(52)
4.14 OSInt...()函数(52) 第5章 如何切换任务(53)
5.1 CPU可以执行多个任务的原因(53)
5.2 CPU怎样运行才能执行多个任务(53)
5.3 何时进行任务切换(54)
5.4 Small RTOS51任务切换时的程序框图(54)
5.5 数组OSTsakStackBotton\[\]和Small RTOS51的堆栈结构(55)
5.6 变量OSFastSwap(57)
5.7 常量数组OSMapTbl\[\](58)
5.8 软非屏蔽中断的堆栈SP2\[\](58)
5.9 中断切换函数OSIntCtxSw()(58)
5.10 任务主动放弃CPU——OS_TASK_SW()(60)
5.11 堆栈变换函数C_OSCtxSw()(62)
5.12 恢复新任务环境LoadCtx()(69)
5.13 优先级最低的任务OSIdle ()(72)
5.14 Small RTOS51初始化函数OSStart()(72)
5.15 系统时钟节拍中断OSTickISR()(74) 第6章 任务之间的通信和同步之信号量(78)
6.1 概述(78)
6.2 使Keil C51函数具有重入性的特殊方法(78)
6.3 数据结构(79)
6.4 EN_OS_SEM_CHK宏及相关代码(80)
6.5 初始化一个信号量(80)
6.6 等待一个信号量(82)
6.7 发送一个信号量(86)
6.8 无等待地请求一个信号量(89)
6.9 查询信号量(90) 第7章 任务之间的通信和同步之消息队列(92)
7.1 概述(92)
7.2 数据结构及存储空间的分配(92)
7.3 消息队列发送消息和取得消息的操作(93)
7.4 EN_OS_Q_CHK及相关代码(95)
7.5 建立一个消息队列(96)
7.6 等待一个消息队列中的消息(98)
7.7 向消息队列发送一个消息（FIFO）(102)
7.8 向消息队列发送一个消息（LIFO）(106)
7.9 同时发送多个消息(111)
7.10 无等待地从消息队列中取得消息(111)
7.11 清空一个消息队列(113)
7.12 查询一个消息队列的状态(114) 第8章 Small RTOS51的移植(116)
8.1 系统相关的宏(116)
8.2 与编译器无关的变量类型(117)
8.3 OSStart()(117)
8.4 OSIntCtxSw()(118)
8.5 OS_TASK_SW()(118)
8.6 OSTickISR()(118)
8.7 OSIdle()(120) 第9章 函数参考手册(121)
9.1 OS_INT_ENTER()函数(121)
9.2 OSClearSignal()函数(121)
9.3 OSIntExit()函数(123)
9.4 OSIntSendSignal()函数(124)
9.5 OSQAccept()函数(124)
9.6 OSQCreate()函数(125)
9.7 OSQFlush()函数(126)
9.8 OSQIntPost()函数(127)
9.9 OSQIntPostFront()函数(128)
9.10 OSQNMsgs()函数(129)
9.11 OSQPend()函数(129)
9.12 OSQPost()函数(130)
9.13 OSQPostFront()函数(131)
9.14 OSQSize()函数(132)
9.15 OSRunningTaskID()函数(133)
9.16 OSSemAccept()函数(133)
9.17 OSSemCreate()函数(134)
9.18 OSSemIntPost()函数(135)
9.19 OSSemPend()函数(136)
9.20 OSSemPost()函数(136)
9.21 OSSemQuery()函数(137)
9.22 OSSendSignal()函数(138)
9.23 OSStart()函数(138)
9.24 OSTimeTick()函数(139)
9.25 OSVersion()函数(140)
9.26 OSWait()函数(141) 第10章 系统配置手册(142)
10.1 基本配置(142)
10.2 消息队列的配置(143)
10.3 信号量的配置(144)
10.4 Small RTOS51的特殊配置(144) 第二部分 应用篇 第11章 DP51单片机仿真实验仪简介(149)
11.1 概述(149)
11.2 产品实物(149)
11.3 功能特点(150)
11.4 主控CPU简介(150)
11.5 DP51单片机仿真实验仪的应用领域(152) 第12章 DP51单片机仿真实验仪硬件结构(153)
12.1 主要器件(153)
12.2 电路外观(153)
12.3 应用接口(155)
12.4 I/O地址分配(159)
12.5 跳线选择器(160) 第13章 如何为Small RTOS51编写驱动程序(163)
13.1 Keil C51简介(163)
13.2 Keil C51的特殊性(164)
13.3 判断Keil C51是否可重入的方法(165)
13.4 使用任务编写驱动程序(165)
13.5 使用消息队列编写驱动程序(165)
13.6 使用信号量编写驱动程序(165)
13.7 复合方法(166) 第14章 LED扫描程序的实现(167)
14.1 LED简介(167)
14.2 LED数码显示器简介(169)
14.3 LED驱动程序的实现(172) 第15章 LCD显示驱动的实现(177)
15.1 点阵字符型LCDTC1602A简介(177)
15.2 TC1602A液晶显示器与DP51单片机仿真实验仪的连接(181)
15.3 驱动程序的使用(181)
15.4 对TC1602A操作的基本函数(183)
15.5 初始化TC1602A液晶显示器(184)
15.6 清除指定行(185)
15.7 在指定位置显示字符串(186)
15.8 在指定地址向液晶模块写多个字符(188)
15.9 驱动程序在DP51单片机仿真实验仪上使用的例子(189) 第16章 软定时器的实现(192)
16.1 软定时器简介(192)
16.2 软定时器模块的使用(192)
16.3 软定时器的数据结构(193)
16.4 软定时器模块的接口函数(193)
16.5 软定时器模块的管理(196)
16.6 软定时器模块在DP51运用的例子(200) 第17章 键盘扫描程序的实现(203)
17.1 键盘简介(203)
17.2 软件去抖动处理(204)
17.3 连击的处理(204)
17.4 复合键(204)
17.5 串键(205)
17.6 键盘驱动的实现(205)
17.7 键盘驱动在DP51上运用的例子(211) 第18章 串行通信程序的实现(216)
18.1 概述(216)
18.2 串行通信硬件电路(216)
18.3 通信协议(217)
18.4 本例使用的串行通信协议(217)
18.5 本例执行的效果(217)
18.6 串行通信驱动程序的发送部分(217)
18.7 串行通信驱动程序的接收部分(220)
18.8 例子中其他未介绍部分代码(222) 第19章 I2C总线驱动程序的实现(224)
19.1 标准模式I2C总线规范简介(224)
19.2 位传输(224)
19.3 数据传输(225)
19.4 仲裁与时钟发生(226)
19.5 传输协议(226)
19.6 I2C总线驱动程序的实现(228) 第20章 串行E2PROM芯片Cat24WCxx驱动程序的实现(238)
20.1 概述(238)
20.2 引脚描述(238)
20.3 串行E2PROM芯片的寻址(239)
20.4 写操作方式(241)
20.5 读操作方式(242)
20.6 Cat24WC02在DP51中的连接(244)
20.7 Cat24WCxx驱动程序的使用(244)
20.8 Cat24WCxx的写操作(245)
20.9 Cat24WCxx的读操作(246)
20.10 DP51上对Cat24WC02读/写操作的例子(247) 第21章 实时时钟芯片PCF8563驱动程序的实现(250)
21.1 实时时钟PCF8563简介(250)
21.2 PCF8563的基本原理(251)
21.3 PCF8563在DP51中的连接(257)
21.4 PCF8563驱动程序的使用(257)
21.5 PCF8563的写操作(258)
21.6 PCF8563的读操作(259)
21.7 DP51上对PCF8563读/写操作的例子(259) 第22章 CAN总线驱动程序的实现(262)
22.1 CAN简介(262)
22.2 CAN控制器SJA1000简介(262)
22.3 SJA1000的硬件连接(264)
22.4 对SJA1000的软件控制(265)
22.5 SJA1000的BasicCAN方式(265)
22.6 寄存器位功能介绍(268)
22.7 SJA1000的编程流程(278)
22.8 驱动程序的使用(279)
22.9 对SJA1000 操作的基本函数(281)
22.10 用户可修改、可调整的应用层函数(290)
22.11 CAN通信在DP51上运用的例子(295) 第23章 PDIUSBD12 USB驱动程序的实现(299)
23.1 简介(299)
23.2 USB设备的枚举过程(299)
23.3 USB标准设备请求(300)
23.4 程序实现方法(303) 第24章 完整的程序——闹钟的实现(314)
24.1 简介(314)
24.2 关键代码(314)
附录A使用许可证(341)
附录B本书配套光盘说明(342)
参考文献(343)
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