51系列單片機是美國Intel公司在1980年推出的高性能8位單片機，在我國的應用非常廣泛。目前，在軟件設計中需要軟件工程師從底層做起，在系統軟件設計方面需要做大量的重復性勞動。如果開發一套基于51系列單片機的操作系統，那么用戶只需要編寫各個任務的程序，不必同時將所有任務運行的各種情況記在心中，不但大大減少了程序編寫的工作量，而且減少了出錯的可能性。

1 開發平臺的選擇和論證

開發平臺的選擇至關重要，因為有時它不光影響進度、產品質量、可維護性等一般問題，還涉及到方案的可實現性。

在本系統中，選擇51系列單片機作為操作系統的運行平臺有以下原因。

首先，51系列單片機應用非常廣泛，一大批性能優越的51兼容單片機相繼推出。這里包括：低功耗、高速度和增強型的Philips公司的系列產品；完美地將Flash（非易失閃存技術）EEPROM與80C51內核結合起來的Atmel公司的系列產品；在抗干擾性能，電磁兼容和通信控制總線功能上獨樹一幟，其產品常用于工作環境惡劣場合的Siemens公司的系列產品以及一些其它公司的產品。既然產品如此豐富，性能如此優越，那么在處理多任務并且對實時性要求嚴格的系統設計中，為了充分挖掘單片機的潛能（尤其是在實時性方面），也是為了簡化開發的過程，基于51系列單片機的實時操作系統的需求就十分強烈了。Keil公司的RTX51 Full就是一個基于51系列單片機的有實用價值的實時操作系統，但該操作系統是一個源碼不公開的收費軟件。

其次，借助于Keil C51的集成開發環境，完全可以開發出適用于51系列單片機的操作系統代碼。Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的Windows界面集成開發調試工具。

另外重要的一點， Keil C51生成的目標代碼效率非常高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發大型軟件時，更能體現高級語言的優勢。C編譯器能產生可重入代碼，而且用C語言可以打開和關閉中斷。

2 開發51單片機操作系統應注意的問題

（1） 操作系統軟件的代碼不能太長

因為51系列單片機的系統硬件資源相對匱乏，如果操作系統的代碼比應用程序的代碼還大，甚至使得用戶的應用程序要考慮給操作系統讓出資源，這樣的操作系統即使功能再完善，也不實用。現在流行的嵌入式操作系統就不能應用于51系列單片機，原因是代碼太大。開發一個5000行的基于裸機的應用程序也就是占用7~8KB ROM空間，一個操作系統用掉了幾十KB，占空間不算，實時性的優勢恐怕也沒了（執行這么多的指令要時間）。所以，μCOS的作者也不支持將他的代碼移植到51系列單片機上，這也就不奇怪了。

（2） 操作系統不能占用太多的片內RAM空間

51系列單片機只有128個或者256個字節的片內RAM空間，稍微不注意就用完了。如果操作系統把片內的RAM使用得所剩無幾，那用戶的應用程序用什么？ 如果說用戶的程序可以把變量定義在片外RAM中的話，那么系統的硬件堆棧放在哪？ 眾所周知，51系列單片機的硬件堆棧不能放在片外，所以要在51系列單片機上開發操作系統的話就要少用它的片內RAM。但是不用片內RAM是辦不到的，因為操作系統也要傳遞參數，也要使用堆棧。C51單片機的C函數傳遞參數是通過寄存器和存儲器的，不能通過堆棧。但是可以通過一些措施使得操作系統代碼少用片內RAM。

（3） 解決好函數的重入問題

開發實時占先式的操作系統，可重入函數是非用不可的。可重入函數可以被一個以上的任務調用，而不必擔心數據被破壞。可重入函數任何時候都可以被中斷，一段時間后又可以運行，而應用數據不會丟失。使得函數具有可重入性必須使得函數能夠滿足下列三個條件之一：

① 不使用共享資源；

② 在使用共享資源時關中斷，使用完畢后再開中斷；

③ 在使用共享資源時申請信號量，使用完后釋放信號量。

這些條件在標準C中編程很容易實現，但是在Keil C51中就比較麻煩。因為標準C是把局部變量分配到用戶堆棧中（動態分配），而Keil C51將局部變量分配到寄存器或內存固定地址（靜態分配），并通過變量覆蓋分析的方法，使多個函數的局部變量使用相同的內存地址以減少內存占用。在Keil C51中，如果局部變量分配在寄存器中還好些，如果局部變量分配在內存中就比較麻煩。

（4） 堆棧的分配問題

占先式操作系統的主要任務就是進行任務的調度，通過對任務的實時調度來完成系統的功能。任務調度過程中，不可避免的發生任務對系統資源的搶占問題，因為系統中CPU只有一個，而每個任務都認為自己是CPU的絕對占用者，每一個任務都是一個死循環。任務間進行切換的依據就是各自的優先級，一個高優先級的任務可以通過任務調度函數或者中斷退出函數等來中止正在運行的任務。被中斷的任務只有自己的優先級在當前就緒任務表中最高時，才能從被中斷處繼續運行。這就需要為每個任務分配任務堆棧，來保存任務的環境變量。由于每個任務在不同時刻被中斷時需要保存的環境變量數目不同，所以任務堆棧空間的分配問題也是一門學問。

3 一些解決問題的技巧

（1） 片內RAM占用問題的解決

任務堆棧最好不要放在片內，如果把任務堆棧放在片內的話，用戶應用程序可使用的資源就非常有限，應用程序的功能也會受到限制。這就是為什么某些把任務堆棧放在片內的基于51系列單片機的實時操作系統只能用來做些演示實驗，但并不實用。一個有實用價值的基于51系列單片機的實時操作系統必須在512字節以上的RAM環境中運行。隨著集成技術的發展，現在已經出現了很多帶有輔助RAM的51系列單片機，這類單片機把片外的RAM集成到芯片內，使用MOVX指令來訪問這些RAM。如果用戶不想通過三總線來擴展片外RAM的話，可以選用這種帶有輔助RAM的單片機。此外，因為操作系統要用到一些全局變量，鑒于處理的速度問題又不想把它們全部的放在片外，那就可以根據這些全局變量應用的頻繁程度來決定把哪些移到片外，哪些留在片內。別小看這幾個字節的節約，在51系列單片機上效果會很明顯。筆者認為在這種資源相對匱乏的單片機上，開發操作系統的最高境界應該是開發一個綠色的操作系統，用戶在應用操作系統時可以用的系統資源應該和基于裸機編程差不多。

（2） 重入問題的解決

應該盡量使有重入性要求的函數的參數傳遞通過寄存器來完成，這樣可以用一般的方法來編寫函數，使得函數具有重入性。如果實在是寄存器不夠用的話，可以動用硬件堆棧來保存這些局部變量。

（3） 堆棧分配問題的解決

鑒于各個任務對于任務堆棧大小的要求不同，即使同一個任務在不同的時刻被中斷，它對堆棧大小的要求也不相同的情況，可以將任務堆棧多分配出一個字節，用來統計任務堆棧中有效數據的個數。單片機的片內RAM中，堆棧的棧底也做一個標志，當任務切換時，把當前任務放在堆棧中的環境變量從棧底到棧頂全部拷貝到任務的堆棧中，然后把將要運行任務的任務堆棧中的所有數據恢復到棧底標志開始的地方。任務堆棧和硬件堆棧之間的數據拷貝如圖1所示。

圖1 堆棧間的數據拷貝

其中，Stack（i）和Stack（j）都是指針數組Stack［max_tasks］中的元素，NUM=SP-StkStart，圖1中所要進行的操作步驟是：①將系統硬件堆棧中的內容放到當前任務的堆棧中；②把將要運行的任務的堆棧內容移到系統的硬件堆棧中，并將硬件堆棧中的內容彈出到各個寄存器。這個過程就完成了任務的切換。

結語

本文介紹了在基于51系列單片機的嵌入式操作系統開發中，可能遇到的幾個問題和它們的解決辦法。這些想法都是筆者在學習和實踐中得來的，相信能夠對從事相同工作的人員有一定啟發。