分時(shí)操作系統思想在單片機編程中的實(shí)現

　　摘要:提出基于分時(shí)系統思想的單片機系統設計方案，給出一具體應用的實(shí)例以及詳細的實(shí)現方法。

    關(guān)鍵詞：分時(shí)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(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。

    2.單片機分時(shí)系統的軟件設計

　　為了合理實(shí)現單片機分時(shí)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(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?！奥贰闭{度的調度指針變化規律是固定不變的，算法簡(jiǎn)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AJMP addr11作為每一項的內容，則調度表的每一表項占2個(gè)字節；當程序較長(cháng)超過(guò)2K字節，則采用LJMP addr16作為每一項內容，占3個(gè)字節。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(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)都要根據系統的檢測或運算結果來(lái)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)執行的一般先后次序，表項數等于一路任務(wù)的最大作業(yè)數。為了分清每路的任務(wù)進(jìn)程，單片機系統要控制多少路就必須有多少個(gè)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(gè)字節的整數變量。調度指針與調度表的聯(lián)系是通過(guò)指令JMP @A+DPTR實(shí)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AJMP addr11，則A的值為調度指針乘2；若表項內容是LJMP addr16，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(gè)作業(yè)中共同的功能應放在中斷中實(shí)現，主要是放在定時(shí)器中斷。如計時(shí)功能應放在定時(shí)器定時(shí)中斷中實(shí)現，定時(shí)參數的選擇應考慮到系統各個(gè)作業(yè)中各種計時(shí)的要求，定時(shí)頻率一般為最小計時(shí)頻率的整數倍。任何軟件延時(shí)都是不允許的。 實(shí)現分時(shí)控制的關(guān)鍵是在于合理地將系統的功能分解成各個(gè)作業(yè)模塊。作業(yè)模塊分得越細系統的實(shí)時(shí)性就越好。雖然單片機的時(shí)鐘頻率較低，在實(shí)際應用中當各個(gè)作業(yè)模塊被細分成各個(gè)“動(dòng)作”及簡(jiǎn)單的運算后，分時(shí)系統的實(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、應用實(shí)例

    1.系統硬件及工作原理

　　賓館用的視頻點(diǎn)播系統VOD（Video On Demand）中，從各個(gè)機定盒送出的上行信號用DTMF碼通過(guò)電話(huà)線(xiàn)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(shí)接受多個(gè)用戶(hù)的點(diǎn)播操作，上行信號采集卡必須有接受多路電話(huà)傳輸信息的功能，為此，筆者設計了8路電話(huà)采集卡，可同時(shí)接受8路用戶(hù)的點(diǎn)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(shí)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(diǎn)播信息：客房號、點(diǎn)播的節目號，共4位DTMF碼；若1s內無(wú)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(kāi)，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字節送到串行發(fā)送緩沖區，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(shí)無(wú)應答也向機定盒回送一碼(發(fā)碼時(shí)間都為100ms)。最后，繼電器斷開(kāi)，狀態(tài)標志復原，緩沖區清0，作業(yè)指針也回到0。一個(gè)過(guò)程完成。

    2.作業(yè)流程

　　為了能實(shí)現8路分時(shí)工作，最主要的工作是將這一過(guò)程細分成一個(gè)個(gè)作業(yè)。筆者通過(guò)設計把它分成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(huà)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(gè)技巧：

　?、?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(shí)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。

　?、?定時(shí)器中斷設置成4ms一次，這是因為電話(huà)振鈴是25Hz，檢測腳保持低電平的時(shí)間為10ms，它是最低的計時(shí)值。當振鈴檢測腳低電平保持時(shí)間少于8ms時(shí)可認為是干擾。每一路都有自己的計時(shí)單元，每次定時(shí)器中斷后，在定時(shí)服務(wù)自程序中各路計時(shí)單元自動(dòng)加1。在上一次作業(yè)中將計時(shí)單元請0，下一次作業(yè)讀出計時(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機時(shí)。

　?、?串行數據的發(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(guò)開(kāi)辟緩沖區實(shí)現的，有發(fā)送緩沖區和接收緩沖區，采用4800baud的波特率。一般程序的串行數據發(fā)送時(shí)，都須要檢測TI位的變化來(lái)判斷1字節數據發(fā)送是否完成，由此決定可否發(fā)下一字節數據。應用到分時(shí)系統是行不通的，這要占用CPU機時(shí)，因為采用4800baud的波特率，則每一字節的發(fā)送時(shí)間少于4ms。當發(fā)送緩沖區有數據時(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字節數據，當下一次定時(shí)中斷來(lái)時(shí)，上一字節數據必定已發(fā)送完畢，可發(fā)送下一字節數據。無(wú)須檢測TI位，也不占用CPU機時(shí)。數據接收采用串行中斷，接收到的數據存放到接收緩沖區供各路查詢(xún)。

結論

　　將分時(shí)操作系統的思想引入單片機系統，提出了一個(gè)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(jià)格比，并在實(shí)際應用中獲得成功。