分時(shí)操作系統(tǒng)思想在單片機(jī)編程中的實(shí)現(xiàn)

摘要:提出基于分時(shí)系統(tǒng)思想的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出一具體應(yīng)用的實(shí)例以及詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方法。

    關(guān)鍵詞：分時(shí)操作系統(tǒng) 單片機(jī)系統(tǒng) 作業(yè)調(diào)度 指針

前言

　　作為嵌入式系統(tǒng)主控單元——單片機(jī)，其軟件往往是一個(gè)微觀的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，且大部分是為某種應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)程序有實(shí)時(shí)過程控制或?qū)崟r(shí)信息處理的能力，要求能夠及時(shí)響應(yīng)隨機(jī)發(fā)生的外部事件并對(duì)該事件做出快速處理。而分時(shí)操作系統(tǒng)卻是把CPU的時(shí)間劃分成長短基本相同的時(shí)間區(qū)間，即“時(shí)間片”，通過操作系統(tǒng)的管理，把這些時(shí)間片依次輪流地分配給各個(gè)用戶使用。如果某個(gè)作業(yè)在時(shí)間片結(jié)束之前，整個(gè)任務(wù)還沒有完成，那么該作業(yè)就被暫停下來，放棄CPU，等待下一輪循環(huán)再繼續(xù)做。此時(shí)CPU又分配給另一個(gè)作業(yè)去使用。由于計(jì)算機(jī)的處理速度很快，只要時(shí)間片的間隔取得適當(dāng)，那么一個(gè)用戶作業(yè)從用完分配給它的一個(gè)時(shí)間片到獲得下一個(gè)CPU時(shí)間片，中間有所“停頓”；但用戶察覺不出來，好像整個(gè)系統(tǒng)全由它“獨(dú)占”似的。分時(shí)操作系統(tǒng)主要具有以下3個(gè)特點(diǎn)：① 多路性。用戶通過各自的終端，可以同時(shí)使用一個(gè)系統(tǒng)。② 及時(shí)性。用戶提出的各種要求，能在較短或可容忍的時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)和處理。③ 獨(dú)占性。在分時(shí)系統(tǒng)中，雖然允許多個(gè)用戶同時(shí)使用一個(gè)CPU，但用戶之間操作獨(dú)立，互不干涉。

　　分時(shí)操作系統(tǒng)主要是針對(duì)小型機(jī)以上的計(jì)算機(jī)提出的。一般而言，微處理器（MPU）驅(qū)動(dòng)的通用計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)每一臺(tái)的最終具體應(yīng)用都是不得而知的，因此，在價(jià)格允許的情況下，硬件設(shè)計(jì)務(wù)求CPU時(shí)鐘盡可能的快；計(jì)算及管理能力盡可能的強(qiáng)；程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量盡可能的大；各種計(jì)算機(jī)外設(shè)的配接盡可能的詳盡等等，特別是采用分時(shí)操作系統(tǒng)的機(jī)器，因?yàn)槭且粰C(jī)多用戶的管理系統(tǒng)，它的要求就更高了。相對(duì)而言，微控制器（MCU）俗稱單片機(jī)，是一個(gè)單片集成系統(tǒng)，它將這些或那些計(jì)算機(jī)所需的外設(shè)，諸如程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、端口以及有關(guān)的子系統(tǒng)集成到一片芯片上。從硬件上，單片機(jī)系統(tǒng)與采用分時(shí)操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是無法比擬的。但是，在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員對(duì)其最終具體應(yīng)用是一清二楚的，它的使用環(huán)境相對(duì)是單一固定的。所控制的過程的可預(yù)見性為分時(shí)系統(tǒng)思想的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。具體一點(diǎn)就是：雖然單片機(jī)的CPU速度較低，但其任務(wù)是可預(yù)見的，這樣作業(yè)調(diào)度將變得簡單而無須占用很多的CPU時(shí)間，同時(shí)“時(shí)間片”的設(shè)計(jì)是具體而有針對(duì)性的，因此可變得很有效。

一、單片機(jī)分時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)系統(tǒng)往往是一個(gè)嵌入式的控制系統(tǒng)，因此目前絕大部分的單片機(jī)系統(tǒng)還是一實(shí)時(shí)系統(tǒng)。能夠真正體現(xiàn)分時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想的往往是那些多路重復(fù)檢測(cè)控制系統(tǒng)。即便是在這些多路重復(fù)檢測(cè)控制系統(tǒng)中，它的實(shí)時(shí)性也是非常重要的。也就是說，在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用了分時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，但其及時(shí)性應(yīng)首先進(jìn)行考慮。

    1.對(duì)單片機(jī)分時(shí)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的建議

　　隨著單片機(jī)性能的提高，單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些硬件功能軟件化是大勢(shì)所趨。但同時(shí)，一日千里的芯片技術(shù)也為低成本的硬件完成高性能的功能提供可能。讓一種功能到底是通過硬件實(shí)現(xiàn)還是通過軟件來實(shí)現(xiàn)不能一概而論，只能是通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)讓整個(gè)系統(tǒng)的性能價(jià)格比最高才是每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者孜孜追求的目標(biāo)。

　　在單片機(jī)分時(shí)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，由于對(duì)系統(tǒng)的及時(shí)性的要求不能降低，而大多數(shù)單片機(jī)的處理速度相對(duì)而言是較慢的。因此，在接口硬件的設(shè)計(jì)上應(yīng)采用一些能將信息量保持的器件，如觸發(fā)器、鎖存器。同時(shí)要求這些器件應(yīng)該是三態(tài)門輸出，因?yàn)槭嵌嗦贩謺r(shí)系統(tǒng)，當(dāng)CPU沒有訪問到時(shí)，器件輸出呈現(xiàn)高阻，以利于總線對(duì)其他器件的訪問。還有，一些用軟件比較費(fèi)時(shí)的操作應(yīng)轉(zhuǎn)給硬件完成。如LED動(dòng)態(tài)顯示，沒有必要一定用intel 8155或intel 8255硬件接口讓軟件時(shí)時(shí)為顯示數(shù)字而煞費(fèi)苦心，完全可以用intel 8279或MAX7218及MAX7219這些可編程外圍器件來完成，使顯示既漂亮又簡單。當(dāng)然，到底哪些功能留給硬件完成，哪些功能留給軟件完成，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的不同而具體設(shè)計(jì)?？傊?，應(yīng)總體考慮，追求最高的性能價(jià)格比。

    2.單片機(jī)分時(shí)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　為了合理實(shí)現(xiàn)單片機(jī)分時(shí)系統(tǒng)，還須有完善的調(diào)度機(jī)制。完善的調(diào)度機(jī)制主要由調(diào)度指針和調(diào)度表組成。系統(tǒng)的調(diào)度分成兩級(jí)，一是“路”的調(diào)度，相當(dāng)于指示程序橫向進(jìn)行：從第一路的某一作業(yè)到第二路的某一作業(yè)，從第二路的某一作業(yè)再到第三路的某一作業(yè)……從最后一路回到第一路，循環(huán)往復(fù)?！奥贰闭{(diào)度的調(diào)度指針變化規(guī)律是固定不變的，算法簡單，即遞增一或遞減一，循環(huán)到頭后，再返回到起始。相對(duì)應(yīng)的“路”調(diào)度指針還應(yīng)構(gòu)造“路”調(diào)度表?！奥贰闭{(diào)度表每一項(xiàng)表示各“路”程序入口地址及跳轉(zhuǎn)指令。以MCS-51單片機(jī)為例，采用AJMP addr11作為每一項(xiàng)的內(nèi)容，則調(diào)度表的每一表項(xiàng)占2個(gè)字節(jié)；當(dāng)程序較長超過2K字節(jié)，則采用LJMP addr16作為每一項(xiàng)內(nèi)容，占3個(gè)字節(jié)。所設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)共有多少“路”，該調(diào)度表就有多少項(xiàng)數(shù)。二是作業(yè)調(diào)度，即相當(dāng)于指示程序縱向進(jìn)行：從某一路的第一作業(yè)指向該路第二作業(yè)，第二作業(yè)指向第四作業(yè)……也有從第六作業(yè)指回第三作業(yè)的等等。因稍復(fù)雜任務(wù)的流向都不可能是單方向性的，從上一作業(yè)流到下一作業(yè)都要根據(jù)系統(tǒng)的檢測(cè)或運(yùn)算結(jié)果來決定，因此作業(yè)調(diào)度指針的變化是隨機(jī)決定的。作業(yè)調(diào)度表的構(gòu)成形式與“路”調(diào)度表相同，每一項(xiàng)表示各作業(yè)模塊的程序入口地址及跳轉(zhuǎn)指令。作業(yè)調(diào)度表指示出各作業(yè)執(zhí)行的一般先后次序，表項(xiàng)數(shù)等于一路任務(wù)的最大作業(yè)數(shù)。為了分清每路的任務(wù)進(jìn)程，單片機(jī)系統(tǒng)要控制多少路就必須有多少個(gè)作業(yè)調(diào)度指針及相應(yīng)作業(yè)調(diào)度表。以上兩級(jí)指針都為1個(gè)字節(jié)的整數(shù)變量。調(diào)度指針與調(diào)度表的聯(lián)系是通過指令JMP @A+DPTR實(shí)現(xiàn)的。DPTR中是調(diào)度表的首地址。累加器A中的內(nèi)容是調(diào)度指針的整數(shù)倍，若表項(xiàng)內(nèi)容是AJMP addr11，則A的值為調(diào)度指針乘2；若表項(xiàng)內(nèi)容是LJMP addr16，則A的值為調(diào)度指針乘3。

　　除了以上主程序的調(diào)度設(shè)計(jì)外，各個(gè)作業(yè)中共同的功能應(yīng)放在中斷中實(shí)現(xiàn)，主要是放在定時(shí)器中斷。如計(jì)時(shí)功能應(yīng)放在定時(shí)器定時(shí)中斷中實(shí)現(xiàn)，定時(shí)參數(shù)的選擇應(yīng)考慮到系統(tǒng)各個(gè)作業(yè)中各種計(jì)時(shí)的要求，定時(shí)頻率一般為最小計(jì)時(shí)頻率的整數(shù)倍。任何軟件延時(shí)都是不允許的。 實(shí)現(xiàn)分時(shí)控制的關(guān)鍵是在于合理地將系統(tǒng)的功能分解成各個(gè)作業(yè)模塊。作業(yè)模塊分得越細(xì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就越好。雖然單片機(jī)的時(shí)鐘頻率較低，在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)各個(gè)作業(yè)模塊被細(xì)分成各個(gè)“動(dòng)作”及簡單的運(yùn)算后，分時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是能得到保證的。缺點(diǎn)就是各“路”的控制處理程序被分割得支離破碎，模塊化得不到保證。

二、應(yīng)用實(shí)例

    1.系統(tǒng)硬件及工作原理

　　賓館用的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)VOD（Video On Demand）中，從各個(gè)機(jī)定盒送出的上行信號(hào)用DTMF碼通過電話線傳輸?shù)綑C(jī)房的主控制柜中的上行信號(hào)采集卡中。為了能同時(shí)接受多個(gè)用戶的點(diǎn)播操作，上行信號(hào)采集卡必須有接受多路電話傳輸信息的功能，為此，筆者設(shè)計(jì)了8路電話采集卡，可同時(shí)接受8路用戶的點(diǎn)播操作，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

　　每路大致的主程序是：檢測(cè)到振鈴信號(hào)后(即為振鈴檢測(cè)腳變低并保持8ms以上)，繼電器吸合，同時(shí)馬上給機(jī)定盒回一接通信號(hào)——#鍵(保持400ms)。然后等待機(jī)定盒發(fā)送點(diǎn)播信息：客房號(hào)、點(diǎn)播的節(jié)目號(hào)，共4位DTMF碼；若1s內(nèi)無DTMF碼收到(收到表示為解碼芯片的DV腳變高)表示操作有誤，繼電器斷開，狀態(tài)位復(fù)原，作業(yè)指針回0。收齊4位DTMF碼后將其整理并帶上該路的標(biāo)志，轉(zhuǎn)化成3字節(jié)送到串行發(fā)送緩沖區(qū)，在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中發(fā)送。等待視頻服務(wù)器回送應(yīng)答信息，根據(jù)應(yīng)答信息不同向機(jī)定盒回送不同的信息；若超時(shí)無應(yīng)答也向機(jī)定盒回送一碼(發(fā)碼時(shí)間都為100ms)。最后，繼電器斷開，狀態(tài)標(biāo)志復(fù)原，緩沖區(qū)清0，作業(yè)指針也回到0。一個(gè)過程完成。

    2.作業(yè)流程

　　為了能實(shí)現(xiàn)8路分時(shí)工作，最主要的工作是將這一過程細(xì)分成一個(gè)個(gè)作業(yè)。筆者通過設(shè)計(jì)把它分成8個(gè)作業(yè)，各作業(yè)的流程如圖2所示。 以上每一作業(yè)返回后,“路”指針自動(dòng)加1，到8后回到0，以保證分時(shí)工作合理。

    3.幾點(diǎn)技巧

　　8路電話信息采集卡的編程中，為了使程序更精練，筆者應(yīng)用以下3個(gè)技巧：

① 因?yàn)檫@8路的工作是相同的，程序可以共用，只須再構(gòu)造1“路”地址表，每一表項(xiàng)含有本路的輸入鎖存器地址、輸出鎖存器地址、DTMF碼存放RAM地址、計(jì)時(shí)單元地址。這樣可以省掉“路”調(diào)度表，因?yàn)楦髀废嗤鳂I(yè)的入口地址是相同的。根據(jù)“路”指針的不同，帶入該“路”的地址表項(xiàng)，即可用相同的程序?qū)?路分別控制操作。

② 定時(shí)器中斷設(shè)置成4ms一次，這是因?yàn)殡娫捳疋徥?5Hz，檢測(cè)腳保持低電平的時(shí)間為10ms，它是最低的計(jì)時(shí)值。當(dāng)振鈴檢測(cè)腳低電平保持時(shí)間少于8ms時(shí)可認(rèn)為是干擾。每一路都有自己的計(jì)時(shí)單元，每次定時(shí)器中斷后，在定時(shí)服務(wù)自程序中各路計(jì)時(shí)單元自動(dòng)加1。在上一次作業(yè)中將計(jì)時(shí)單元請(qǐng)0，下一次作業(yè)讀出計(jì)時(shí)單元的值，延時(shí)值即為該值乘以4ms。這樣任何延時(shí)都不占用CPU機(jī)時(shí)。

③ 串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是8路共有的操作，采用共同的模塊。數(shù)據(jù)的鏈接是通過開辟緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)的，有發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)，采用4800baud的波特率。一般程序的串行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，都須要檢測(cè)TI位的變化來判斷1字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送是否完成，由此決定可否發(fā)下一字節(jié)數(shù)據(jù)。應(yīng)用到分時(shí)系統(tǒng)是行不通的，這要占用CPU機(jī)時(shí)，因?yàn)椴捎?800baud的波特率，則每一字節(jié)的發(fā)送時(shí)間少于4ms。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)，可在定時(shí)器中斷服務(wù)自程序中發(fā)送。每一次定時(shí)中斷中發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù)，當(dāng)下一次定時(shí)中斷來時(shí)，上一字節(jié)數(shù)據(jù)必定已發(fā)送完畢，可發(fā)送下一字節(jié)數(shù)據(jù)。無須檢測(cè)TI位，也不占用CPU機(jī)時(shí)。數(shù)據(jù)接收采用串行中斷，接收到的數(shù)據(jù)存放到接收緩沖區(qū)供各路查詢。

結(jié)論

　　將分時(shí)操作系統(tǒng)的思想引入單片機(jī)系統(tǒng)，提出了一個(gè)針對(duì)多路檢測(cè)控制的單片機(jī)系統(tǒng)軟件編程。大大減低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的性能價(jià)格比，并在實(shí)際應(yīng)用中獲得成功。