分時(shí)操作系統思想在單片機中的實(shí)現

　前言

作為嵌入式系統主控單元——單片機，其軟件往往是一個(gè)微觀(guān)的實(shí)時(shí)操作系統，且大部分是為某種應用而專(zhuān)門(mén)設計的。系統程序有實(shí)時(shí)過(guò)程控制或實(shí)時(shí)信息處理的能力，要求能夠及時(shí)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(shí)操作系統卻是把CPU的時(shí)間劃分成長(cháng)短基本相同的時(shí)間區間，即“時(shí)間片”，通過(guò)操作系統的管理，把這些時(shí)間片依次輪流地分配給各個(gè)用戶(hù)使用。如果某個(gè)作業(yè)在時(shí)間片結束之前，整個(gè)任務(wù)還沒(méi)有完成，那么該作業(yè)就被暫停下來(lái)，放棄CPU，等待下一輪循環(huán)再繼續做。此時(shí)CPU又分配給另一個(gè)作業(yè)去使用。由于計算機的處理速度很快，只要時(shí)間片的間隔取得適當，那么一個(gè)用戶(hù)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(hù)察覺(jué)不出來(lái)，好像整個(gè)系統全由它“獨占”似的。分時(shí)操作系統主要具有以下3個(gè)特點(diǎn)：① 多路性。用戶(hù)通過(guò)各自的終端，可以同時(shí)使用一個(gè)系統。② 及時(shí)性。用戶(hù)提出的各種要求，能在較短或可容忍的時(shí)間內得到響應和處理。③ 獨占性。在分時(shí)系統中，雖然允許多個(gè)用戶(hù)同時(shí)使用一個(gè)CPU，但用戶(hù)之間操作獨立，互不干涉。

分時(shí)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(dòng)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(jià)格允許的情況下，硬件設計務(wù)求 CPU時(shí)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(shí)操作系統的機器，因為是一機多用戶(hù)的管理系統，它的要求就更高了。相對而言，微控制器（MCU）俗稱(chēng)單片機，是一個(gè)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(guān)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(shí)操作系統的計算機系統是無(wú)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(guò)程的可預見(jiàn)性為分時(shí)系統思想的實(shí)現提供了可能性。具體一點(diǎn)就是：雖然單片機的CPU速度較低，但其任務(wù)是可預見(jiàn)的，這樣作業(yè)調度將變得簡(jiǎn)單而無(wú)須占用很多的CPU時(shí)間，同時(shí)“時(shí)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(shí)系統的設計

單片機系統往往是一個(gè)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(shí)時(shí)系統。能夠真正體現分時(shí)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(shí)時(shí)性也是非常重要的。也就是說(shuō)，在單片機系統中應用了分時(shí)系統設計思想，但其及時(shí)性應首先進(jìn)行考慮。

1.對單片機分時(shí)系統硬件設計的建議

隨著(zhù)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(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(guò)硬件實(shí)現還是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現不能一概而論，只能是通過(guò)系統設計讓整個(gè)系統的性能價(jià)格比最高才是每個(gè)單片機系統設計者孜孜追求的目標。

在單片機分時(shí)系統的硬件設計中，由于對系統的及時(shí)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(shí)要求這些器件應該是三態(tài)門(mén)輸出，因為是多路分時(shí)系統，當CPU沒(méi)有訪(fǎng)問(wèn)到時(shí)，器件輸出呈現高阻，以利于總線(xiàn)對其他器件的訪(fǎng)問(wèn)。還有，一些用軟件比較費時(shí)的操作應轉給硬件完成。如LED動(dòng)態(tài)顯示，沒(méi)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(lái)完成，使顯示既漂亮又簡(jiǎn)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(jià)格比。