分時操作系統思想在單片機編程中的實現

摘要:提出基于分時系統思想的單片機系統設計方案，給出一具體應用的實例以及詳細的實現方法。
　　
　　關鍵詞：分時操作系統單片機系統作業(yè)調度指針
　　
　　前言
　　
　　作為嵌入式系統主控單元——單片機，其軟件往往是一個微觀的實時操作系統，且大部分是為某種應用而專門設計的。系統程序有實時過程控制或實時信息處理的能力，要求能夠及時響應隨機發(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)在時間片結束之前，整個任務還沒有完成，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，好像整個系統全由它“獨占”似的。分時操作系統主要具有以下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。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得到響應和處理。③獨占性。在分時系統中，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）驅動的通用計算機，系統設計人員對每一臺的最終具體應用都是不得而知的，因此，在價格允許的情況下，硬件設計務求CPU時鐘盡可能的快；計算及管理能力盡可能的強；程序和數據存儲器的容量盡可能的大；各種計算機外設的配接盡可能的詳盡等等，特別是采用分時操作系統的機器，因為是一機多用戶的管理系統，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，它將這些或那些計算機所需的外設，諸如程序和數據存儲器、端口以及有關的子系統集成到一片芯片上。從硬件上，單片機系統與采用分時操作系統的計算機系統是無法比擬的。但是，在單片機系統的設計中，設計人員對其最終具體應用是一清二楚的，它的使用環(huán)境相對是單一固定的。所控制的過程的可預見性為分時系統思想的實現提供了可能性。具體一點就是：雖然單片機的CPU速度較低，但其任務是可預見的，這樣作業(yè)調度將變得簡單而無須占用很多的CPU時間，同時“時間片”的設計是具體而有針對性的，因此可變得很有效。
　　
　　一、單片機分時系統的設計
　　
　　單片機系統往往是一個嵌入式的控制系統，因此目前絕大部分的單片機系統還是一實時系統。能夠真正體現分時系統的設計思想的往往是那些多路重復檢測控制系統。即便是在這些多路重復檢測控制系統中，它的實時性也是非常重要的。也就是說，在單片機系統中應用了分時系統設計思想，但其及時性應首先進行考慮。
　　
　　1.對單片機分時系統硬件設計的建議
　　
　　隨著單片機性能的提高，單片機系統設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還是通過軟件來實現不能一概而論，只能是通過系統設計讓整個系統的性能價格比最高才是每個單片機系統設計者孜孜追求的目標。
　　
　　在單片機分時系統的硬件設計中，由于對系統的及時性的要求不能降低，而大多數單片機的處理速度相對而言是較慢的。因此，在接口硬件的設計上應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該是三態(tài)門輸出，因為是多路分時系統，當CPU沒有訪問到時，器件輸出呈現高阻，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轉給硬件完成。如LED動態(tài)顯示，沒有必要一定用intel8155或intel8255硬件接口讓軟件時時為顯示數字而煞費苦心，完全可以用intel8279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，應根據系統的不同而具體設計�？傊�，應總體考慮，追求最高的性能價格比。
　　
　　2.單片機分時系統的軟件設計
　　
　　為了合理實現單片機分時系統，還須有完善的調度機制。完善的調度機制主要由調度指針和調度表組成。系統的調度分成兩級，一是“路”的調度，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�！奥贰闭{度的調度指針變化規(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。相對應的“路”調度指針還應構造“路”調度表�！奥贰闭{度表每一項表示各“路”程序入口地址及跳轉指令。以MCS-51單片機為例，采用AJMPaddr11作為每一項的內容，則調度表的每一表項占2個字節(jié)；當程序較長超過2K字節(jié)，則采用LJMPaddr16作為每一項內容，占3個字節(jié)。所設計的單片機系統共有多少“路”，該調度表就有多少項數。二是作業(yè)調度，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。因稍復雜任務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)都要根據系統的檢測或運算結果來決定，因此作業(yè)調度指針的變化是隨機決定的。作業(yè)調度表的構成形式與“路”調度表相同，每一項表示各作業(yè)模塊的程序入口地址及跳轉指令。作業(yè)調度表指示出各作業(yè)執(zhí)行的一般先后次序，表項數等于一路任務的最大作業(yè)數。為了分清每路的任務進程，單片機系統要控制多少路就必須有多少個作業(yè)調度指針及相應作業(yè)調度表。以上兩級指針都為1個字節(jié)的整數變量。調度指針與調度表的聯系是通過指令JMP@A+DPTR實現的。DPTR中是調度表的首地址。累加器A中的內容是調度指針的整數倍，若表項內容是AJMPaddr11，則A的值為調度指針乘2；若表項內容是LJMPaddr16，則A的值為調度指針乘3。
　　
　　除了以上主程序的調度設計外，各個作業(yè)中共同的功能應放在中斷中實現，主要是放在定時器中斷。如計時功能應放在定時器定時中斷
　　
　　
　　
　　中實現，定時參數的選擇應考慮到系統各個作業(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倍。任何軟件延時都是不允許的。實現分時控制的關鍵是在于合理地將系統的功能分解成各個作業(yè)模塊。作業(yè)模塊分得越細系統的實時性就越好。雖然單片機的時鐘頻率較低，在實際應用中當各個作業(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、應用實例
　　
　　1.系統硬件及工作原理
　　
　　賓館用的視頻點播系統VOD（VideoOnDemand）中，從各個機定盒送出的上行信號用DTMF碼通過電話線傳輸到機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)，在定時器中斷服務程序中發(fā)送。等待視頻服務器回送應答信息，根據應答信息不同向機定盒回送不同的信息；若超時無應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，筆者應用以下3個技巧：
　　
　　①因為這8路的工作是相同的，程序可以共用，只須再構造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”調度表，因為各路相同作業(yè)的入口地址是相同的。根據“路”指針的不同，帶入該“路”的地址表項，即可用相同的程序對8路分別控制操作。
　　
　�、诙〞r器中斷設置成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。
　　
　�、鄞�行數據的發(fā)送和接收是8路共有的操作，采用共同的模塊。數據的鏈接是通過開辟緩沖區(qū)實現的，有發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)，采用4800baud的波特率。一般程序的串行數據發(fā)送時，都須要檢測TI位的變化來判斷1字節(jié)數據發(fā)送是否完成，由此決定可否發(fā)下一字節(jié)數據。應用到分時系統是行不通的，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)有數據時，可在定時器中斷服務自程序中發(fā)送。每一次定時中斷中發(fā)送1字節(jié)數據，當下一次定時中斷來時，上一字節(jié)數據必定已發(fā)送完畢，可發(fā)送下一字節(jié)數據。無須檢測TI位，也不占用CPU機時。數據接收采用串行中斷，接收到的數據存放到接收緩沖區(qū)供各路查詢。
　　
　　結論
　　
　　將分時操作系統的思想引入單片機系統，提出了一個針對多路檢測控制的單片機系統軟件編程。大大減低了系統的設計成本，提高了系統的性能價格比，并在實際應用中獲得成功。
　　
　　
　　
　　
　　

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