C51程序设计与操作系统：从单任务到多任务，打造复杂系统

# 1. C51单任务程序设计基础**

C51单任务程序设计是嵌入式系统开发的基础，涉及到嵌入式系统硬件架构、C51汇编语言和C语言编程。本章将介绍C51单片机的硬件结构、C51汇编语言和C语言的基本语法，以及单任务程序设计的基本流程和方法。

**1.1 C51单片机硬件结构**

C51单片机是一种8位微控制器，其硬件结构主要包括CPU、存储器、I/O接口和时钟电路。CPU负责执行指令，存储器用于存储程序和数据，I/O接口用于与外部设备通信，时钟电路用于提供系统时钟。

**1.2 C51汇编语言**

C51汇编语言是一种低级编程语言，直接操作C51单片机的硬件资源。汇编语言指令与机器指令一一对应，具有执行效率高、代码紧凑等优点。本章将介绍C51汇编语言的基本指令集，包括算术指令、逻辑指令、跳转指令和I/O指令等。

# 2. C51多任务程序设计原理**

**2.1 任务调度与管理**

**2.1.1 任务状态和调度算法**

在多任务系统中，任务是系统执行的最小单元，每个任务都有自己的状态。常见的任务状态包括：

- **就绪态：**任务已准备就绪，等待被调度执行。
- **运行态：**任务正在执行。
- **阻塞态：**任务因等待资源（如信号量、消息队列）而无法继续执行。

调度算法负责决定哪个就绪态任务获得CPU时间片。常见的调度算法包括：

- **先来先服务（FCFS）：**按任务到达就绪态的先后顺序执行任务。
- **短作业优先（SJF）：**优先执行执行时间最短的任务。
- **优先级调度：**为每个任务分配优先级，优先级高的任务优先执行。

**代码块：**

typedef enum {
  TASK_READY,
  TASK_RUNNING,
  TASK_BLOCKED
} task_state_t;

void task_scheduler(void) {
  task_t *task;

  while (1) {
    // 遍历就绪态任务队列
    for (task = task_queue_head; task != NULL; task = task->next) {
      if (task->state == TASK_READY) {
        // 将任务切换到运行态
        task->state = TASK_RUNNING;

        // 执行任务
        task->entry();

        // 任务执行完毕，切换到就绪态
        task->state = TASK_READY;
      }
    }
  }
}

**逻辑分析：**

该代码实现了简单的先来先服务调度算法。`task_scheduler`函数不断遍历就绪态任务队列，将就绪态任务切换到运行态执行，执行完毕后切换回就绪态。

**2.1.2 任务同步与互斥**

在多任务系统中，多个任务可能并发访问共享资源，这会导致数据不一致或死锁。因此，需要使用同步机制来协调任务对共享资源的访问。

常见的同步机制包括：

- **信号量：**用于控制对共享资源的访问，确保同一时间只有一个任务可以访问该资源。
- **消息队列：**用于任务之间的通信，任务可以向队列发送消息，其他任务可以从队列中接收消息。
- **互斥锁：**用于保护共享资源，确保同一时间只有一个任务可以访问该资源。

**代码块：**

// 信号量实现
typedef struct {
  int count;
  task_queue_t waiting_queue;
} semaphore_t;

void semaphore_init(semaphore_t *sem, int initial_count) {
  sem->count = initial_count;
  task_queue_init(&sem->waiting_queue);
}

void semaphore_wait(semaphore_t *sem) {
  // 如果信号量计数为0，则将任务加入等待队列
  if (sem->count == 0) {
    task_queue_enqueue(&sem->waiting_queue, current_task);
    task_block();
  }

  // 信号量计数减1
  sem->count--;
}

void semaphore_signal(semaphore_t *sem) {
  // 如果等待队列不为空，则将第一个任务唤醒
  if (!task_queue_is_empty(&sem->waiting_queue)) {
    task_t *task = task_queue_dequeue(&sem->waiting_queue);
    task_unblock(task);
  }

  // 信号量计数加1
  sem->count++;
}

**逻辑分析：**

该代码实现了信号量的基本功能。`semaphore_init`函数初始化信号量，`semaphore_wait`函数用于等待信号量，`semaphore_signal`函数用于释放信号量。当任务等待信号量时，会将自己加入等待队列并阻塞，当信号量被释放时，等待队列中的第一个任务会被唤醒。

**2.2 任务通信与数据共享**

**2.2.1 消息队列和信号量**

消息队列和信号量是任务之间通信和同步的两种常用机制。

- **消息队列：**任务可以向消息队列发送消息，其他任务可以从消息队列中接收消息。消息队列可以实现任务之间的异步通信。
- **信号量：**信号量可以用于任务之间的同步，确保同一时间只有一个任务可以访问共享资源。

**代码块：**

// 消息队列实现
typedef struct {
  message_t *head;
  message_t *tail;
  int count;
} message_queue_t;

void message_queue_init(message_queue_t *queue) {
  queue->head = NULL;
  queue->tail = NULL;
  queue->count = 0;
}