怎么给51写一个操作系统

NurDroid

于 2025-04-14 20:26:13 发布

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文章标签：单片机嵌入式硬件

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_62784677/article/details/147232121

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在51单片机上实现一个简单的多任务操作系统（OS）需要考虑其有限的资源（如RAM和ROM），以下是分步实现的指南：

1. 系统设计思路

• 协作式多任务：任务主动释放CPU（适合资源有限的场景）。
• 抢占式多任务：通过定时器中断强制切换任务（实时性更好，但需处理上下文保存）。
• 任务控制块（TCB）：记录任务状态（堆栈指针、任务状态等）。
• 堆栈管理：每个任务分配独立堆栈，用于保存上下文。

2. 关键实现步骤

步骤1：定义任务控制块（TCB）

#define MAX_TASKS 3  // 最大任务数（根据RAM调整）
typedef struct {
    unsigned char id;     // 任务ID
    unsigned char sp;     // 堆栈指针（保存到内部RAM地址）
    void (*entry)(void);  // 任务入口函数
} tcb;

tcb tasks[MAX_TASKS];
unsigned char current_task = 0; // 当前运行的任务ID

步骤2：初始化任务堆栈

每个任务的堆栈需初始化为“伪中断现场”，首次调度时通过RETI跳转到任务函数。

void task_create(void (*entry)(void), unsigned char task_id, unsigned char *stack) {
    // 初始化堆栈：模拟中断后的上下文
    *stack-- = (unsigned int)entry & 0xFF;    // 返回地址低字节
    *stack-- = (unsigned int)entry >> 8;      // 返回地址高字节
    *stack-- = 0x00;                          // PSW（初始状态）
    *stack-- = 0x00;                          // ACC
    *stack-- = 0x00;                          // B
    *stack-- = 0x00;                          // DPL
    *stack-- = 0x00;                          // DPH
    // 其他寄存器根据需要保存
    tasks[task_id].sp = (unsigned char)stack; // 保存堆栈指针
}

步骤3：配置定时器中断（抢占式调度）

void configure_timer() {
    TMOD |= 0x01;      // Timer0模式1（16位定时器）
    TH0 = 0xFC;        // 定时1ms（假设12MHz晶振）
    TL0 = 0x18;
    ET0 = 1;           // 允许Timer0中断
    TR0 = 1;           // 启动Timer0
}

步骤4：编写中断服务程序（汇编实现上下文切换）

在timer_isr中保存当前任务上下文，加载下一个任务上下文：

; 定时器中断服务程序（Timer0）
TIMER_ISR:
    ; 保存当前任务上下文到堆栈
    PUSH ACC
    PUSH B
    PUSH DPL
    PUSH DPH
    PUSH PSW
    ; 保存当前堆栈指针到TCB
    MOV  DPTR, #current_task
    MOV  A, @DPTR          ; 获取current_task
    MOV  B, #sizeof(tcb)
    MUL  AB                ; 计算TCB数组偏移量
    ADD  A, #tasks.sp      ; 获取sp字段地址（需根据实际地址调整）
    MOV  DPL, A
    MOV  DPH, #0x00
    MOV  A, SP
    MOVX @DPTR, A          ; 保存SP到tasks[current_task].sp

    ; 切换到下一个任务
    INC  current_task      ; current_task = (current_task + 1) % MAX_TASKS
    MOV  A, current_task
    CJNE A, #MAX_TASKS, skip_reset
    MOV  current_task, #0
skip_reset:
    ; 加载新任务的SP
    MOV  A, current_task
    MOV  B, #sizeof(tcb)
    MUL  AB
    ADD  A, #tasks.sp      ; 获取新任务的sp地址
    MOV  DPL, A
    MOV  DPH, #0x00
    MOVX A, @DPTR
    MOV  SP, A             ; 恢复新任务的SP

    ; 恢复新任务上下文
    POP  PSW
    POP  DPH
    POP  DPL
    POP  B
    POP  ACC
    RETI                   ; 返回到新任务

步骤5：启动调度器

void main() {
    // 初始化任务堆栈（假设stack1、stack2为预分配的堆栈空间）
    task_create(task1, 0, stack1 + 50); // 每个堆栈50字节
    task_create(task2, 1, stack2 + 50);

    configure_timer();     // 配置定时器中断
    EA = 1;                // 开启全局中断

    // 手动触发第一个任务调度
    __asm
        MOV SP, tasks[0].sp  // 加载任务1的堆栈指针
        RETI                 // 模拟中断返回，跳转到任务1
    __endasm;

    while(1);              // 主循环（实际不会执行到这里）
}

3. 任务函数示例

void task1(void) {
    while(1) {
        P1 = 0xFF;        // 任务1的代码（如点亮LED）
        // 协作式调度需主动释放CPU
        // task_yield();
    }
}

void task2(void) {
    while(1) {
        P2 = 0x00;        // 任务2的代码
    }
}

4. 注意事项

• 堆栈分配：确保每个任务的堆栈不重叠（如stack1[50]和stack2[50]）。
• 资源竞争：共享资源（如串口）需通过临界区保护（关闭中断）。
• 任务切换频率：定时器中断间隔影响任务切换速度，需根据需求调整。
• 调试：可通过LED或串口输出观察任务切换情况。