分時操作系統(tǒng)思想在單片機中的實現(xiàn)

　前言

作為嵌入式系統(tǒng)主控單元——單片機，其軟件往往是一個微觀的實時操作系統(tǒng)，且大部分是為某種應(yīng)用而專門設(shè)計的。系統(tǒng)程序有實時過程控制或?qū)崟r信息處理的能力，要求能夠及時響應(yīng)隨機發(fā)生的外部事件并對該事件做出快速處理。而分時操作系統(tǒng)卻是把CPU的時間劃分成長短基本相同的時間區(qū)間，即“時間片”，通過操作系統(tǒng)的管理，把這些時間片依次輪流地分配給各個用戶使用。如果某個作業(yè)在時間片結(jié)束之前，整個任務(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CPU又分配給另一個作業(yè)去使用。由于計算機的處理速度很快，只要時間片的間隔取得適當，那么一個用戶作業(yè)從用完分配給它的一個時間片到獲得下一個CPU時間片，中間有所“停頓”；但用戶察覺不出來，好像整個系統(tǒng)全由它“獨占”似的。分時操作系統(tǒng)主要具有以下3個特點：① 多路性。用戶通過各自的終端，可以同時使用一個系統(tǒng)。② 及時性。用戶提出的各種要求，能在較短或可容忍的時間內(nèi)得到響應(yīng)和處理。③ 獨占性。在分時系統(tǒng)中，雖然允許多個用戶同時使用一個CPU，但用戶之間操作獨立，互不干涉。

分時操作系統(tǒng)主要是針對小型機以上的計算機提出的。一般而言，微處理器（MPU）驅(qū)動的通用計算機，系統(tǒng)設(shè)計人員對每一臺的最終具體應(yīng)用都是不得而知的，因此，在價格允許的情況下，硬件設(shè)計務(wù)求 CPU時鐘盡可能的快；計算及管理能力盡可能的強；程序和數(shù)據(jù)存儲器的容量盡可能的大；各種計算機外設(shè)的配接盡可能的詳盡等等，特別是采用分時操作系統(tǒng)的機器，因為是一機多用戶的管理系統(tǒng)，它的要求就更高了。相對而言，微控制器（MCU）俗稱單片機，是一個單片集成系統(tǒng)，它將這些或那些計算機所需的外設(shè)，諸如程序和數(shù)據(jù)存儲器、端口以及有關(guān)的子系統(tǒng)集成到一片芯片上。從硬件上，單片機系統(tǒng)與采用分時操作系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)是無法比擬的。但是，在單片機系統(tǒng)的設(shè)計中，設(shè)計人員對其最終具體應(yīng)用是一清二楚的，它的使用環(huán)境相對是單一固定的。所控制的過程的可預(yù)見性為分時系統(tǒng)思想的實現(xiàn)提供了可能性。具體一點就是：雖然單片機的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時間，同時“時間片”的設(shè)計是具體而有針對性的，因此可變得很有效。
一、單片機分時系統(tǒng)的設(shè)計

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

1.對單片機分時系統(tǒng)硬件設(shè)計的建議

隨著單片機性能的提高，單片機系統(tǒng)設(shè)計中的一些硬件功能軟件化是大勢所趨。但同時，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現(xiàn)還是通過軟件來實現(xiàn)不能一概而論，只能是通過系統(tǒng)設(shè)計讓整個系統(tǒng)的性能價格比最高才是每個單片機系統(tǒng)設(shè)計者孜孜追求的目標。

在單片機分時系統(tǒng)的硬件設(shè)計中，由于對系統(tǒng)的及時性的要求不能降低，而大多數(shù)單片機的處理速度相對而言是較慢的。因此，在接口硬件的設(shè)計上應(yīng)采用一些能將信息量保持的器件，如觸發(fā)器、鎖存器。同時要求這些器件應(yīng)該是三態(tài)門輸出，因為是多路分時系統(tǒng)，當CPU沒有訪問到時，器件輸出呈現(xiàn)高阻，以利于總線對其他器件的訪問。還有，一些用軟件比較費時的操作應(yīng)轉(zhuǎn)給硬件完成。如LED動態(tài)顯示，沒有必要一定用intel 8155或intel 8255硬件接口讓軟件時時為顯示數(shù)字而煞費苦心，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。總之，應(yīng)總體考慮，追求最高的性能價格比。

2.單片機分時系統(tǒng)的軟件設(shè)計

為了合理實現(xiàn)單片機分時系統(tǒng)，還須有完善的調(diào)度機制。完善的調(diào)度機制主要由調(diào)度指針和調(diào)度表組成。系統(tǒng)的調(diào)度分成兩級，一是“路”的調(diào)度，相當于指示程序橫向進行：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)。“路”調(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。相對應(yīng)的“路”調(diào)度指針還應(yīng)構(gòu)造“路”調(diào)度表。“路”調(diào)度表每一項表示各“路”程序入口地址及跳轉(zhuǎn)指令。以MCS-51單片機為例，采用AJMP addr11作為每一項的內(nèi)容，則調(diào)度表的每一表項占2個字節(jié)；當程序較長超過2K字節(jié)，則采用LJMP addr16作為每一項內(nèi)容，占3個字節(jié)。所設(shè)計的單片機系統(tǒng)共有多少“路”，該調(diào)度表就有多少項數(shù)。二是作業(yè)調(diào)度，即相當于指示程序縱向進行：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)的檢測或運算結(jié)果來決定，因此作業(yè)調(diào)度指針的變化是隨機決定的。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)進程，單片機系統(tǒng)要控制多少路就必須有多少個作業(yè)調(diào)度指針及相應(yīng)作業(yè)調(diào)度表。以上兩級指針都為1個字節(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，若表項內(nèi)容是AJMP addr11，則A的值為調(diào)度指針乘2；若表項內(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)計外，各個作業(yè)中共同的功能應(yīng)放在中斷中實現(xiàn)，主要是放在定時器中斷。如計時功能應(yīng)放在定時器定時中斷中實現(xiàn)，定時參數(shù)的選 擇應(yīng)考慮到系統(tǒng)各個作業(yè)中各種計時的要求，定時頻率一般為最小計時頻率的整數(shù)倍。任何軟件延時都是不允許的。 實現(xiàn)分時控制的關(guān)鍵是在于合理地將系統(tǒng)的功能分解成各個作業(yè)模塊。作業(yè)模塊分得越細系統(tǒng)的實時性就越好。雖然單片機的時鐘頻率較低，在實際應(yīng)用中當各個作 業(yè)模塊被細分成各個“動作”及簡單的運算后，分時系統(tǒng)的實時性是能得到保證的。缺點就是各“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)用實例

　　1.系統(tǒng)硬件及工作原理

　 　賓館用的視頻點播系統(tǒng)VOD（Video On Demand）中，從各個機定盒送出的上行信號用DTMF碼通過電話線傳輸?shù)綑C房的主控制柜中的上行信號采集卡中。為了能同時接受多個用戶的點播操作，上 行信號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)計了8路電話采集卡，可同時接受8路用戶的點播操作，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

　 　每路大致的主程序是：檢測到振鈴信號后(即為振鈴檢測腳變低并保持8ms以上)，繼電器吸合，同時馬上給機定盒回一接通信號——#鍵(保持 400ms)。然后等待機定盒發(fā)送點播信息：客房號、點播的節(jié)目號，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志，轉(zhuǎn)化成3字節(jié)送到串行發(fā)送緩沖區(qū)，在定時器中斷服務(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)答信息不同向機定盒回送不同的信息；若超時無應(yīng)答也向機定盒回送一碼(發(fā)碼時間都為100ms)。最后，繼 電器斷開，狀態(tài)標志復(fù)原，緩沖區(qū)清0，作業(yè)指針也回到0。一個過程完成。

　2.作業(yè)流程

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

　　3.幾點技巧

　　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個技巧：

　 ?、?因為這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 時單元地址。這樣可以省掉“路”調(diào)度表，因為各路相同作業(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，即可用相同的程序?qū)?路分 別控制操作。

　?、?定時器中斷設(shè)置成4ms一次，這是因為電話振鈴是25Hz，檢測腳保持低電平的時間為10ms，它是最低的計時值。當振鈴檢測腳低電平保持時間少于8ms 時可認為是干擾。每一路都有自己的計時單元，每次定時器中斷后，在定時服務(wù)自程序中各路計時單元自動加1。在上一次作業(yè)中將計時單元請0，下一次作業(yè)讀出 計時單元的值，延時值即為該值乘以4ms。這樣任何延時都不占用CPU機時。

　?、?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，都須要檢測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)用到分時系統(tǒng)是行不通的，這要占用 CPU機時，因為采用4800baud的波特率，則每一字節(jié)的發(fā)送時間少于4ms。當發(fā)送緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，可在定時器中斷服務(wù)自程序中發(fā)送。每一次定時中 斷中發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù)，當下一次定時中斷來時，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TI位，也不占用CPU機時。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

　　將分時操作系統(tǒng)的思想引入單片機系統(tǒng)，提出了一個針對多路檢測控制的單片機系統(tǒng)軟件編程。大大減低了系統(tǒng)的設(shè)計成本，提高了系統(tǒng)的性能價格比，并在實際應(yīng)用中獲得成功。