分時(shí)操作系統(tǒng)思想在單片機(jī)中的具體應(yīng)用

關(guān)鍵詞：分時(shí)系統(tǒng)；可靠性

隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)開(kāi)發(fā)的理念也在不斷更新：逐步采用高性能的16/32位單片機(jī)，采用C、JAVA等高級(jí)語(yǔ)言編程，采用RTOS及其平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。

分時(shí)操作系統(tǒng)概述
分時(shí)操作系統(tǒng)把CPU的時(shí)間劃分成長(zhǎng)短基本相同的時(shí)間區(qū)間，即"時(shí)間片"，操作系統(tǒng)輪流分配給各個(gè)作業(yè)使用。某個(gè)作業(yè)在時(shí)間片結(jié)束完成，該作業(yè)將被掛起，等待下一輪循環(huán)再繼續(xù)做。分時(shí)操作系統(tǒng)主要具有以下3個(gè)特點(diǎn)：多路性，用戶通過(guò)各自的終端，可以同時(shí)使用一個(gè)系統(tǒng)。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。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，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，MCU是一個(gè)單片集成系統(tǒng)，它將這些計(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(wú)法比擬的。但是，在單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員清楚其最終具體應(yīng)用，它的使用環(huán)境相對(duì)是單一固定的。所控制過(guò)程的可預(yù)見(jiàn)性為分時(shí)系統(tǒng)思想的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。具體就是：雖然單片機(jī)的CPU速度較低，但其任務(wù)是可預(yù)見(jiàn)的，這樣作業(yè)調(diào)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(shè)計(jì)是具體而有針對(duì)性的，因此可變得很有效。

圖1 漏電流智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

分時(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例
系統(tǒng)硬件及原理
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)涉及單片機(jī)通信以及顯示的漏電流智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)用在低壓電網(wǎng)中負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)線路的漏電流，系統(tǒng)中智能采集單元負(fù)責(zé)采集線路的漏電流，通過(guò)串行總線與主控單片機(jī)通信，上傳線路參數(shù)值。主控單片機(jī)輪詢各線路，實(shí)時(shí)顯示漏電流值，當(dāng)線路漏電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，在EEPROM中記錄漏電流的各項(xiàng)參數(shù)和發(fā)生的時(shí)刻，通過(guò)鍵盤(pán)顯示可以查詢以往線路的情況。由圖1可知：各智能采集模塊共用一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘，因?yàn)椴还軓某杀镜慕嵌冗€是從方便角度考慮，都不可能給每個(gè)采集模塊配置一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。采用傳統(tǒng)的編程方法時(shí)存在一個(gè)問(wèn)題：當(dāng)智能采集模塊有多路時(shí)，數(shù)據(jù)上傳后需要顯示該路數(shù)據(jù)，顯示時(shí)間不宜太短，下一路數(shù)據(jù)的顯示便出現(xiàn)延遲。線路的路數(shù)越多，編號(hào)靠后的線路的時(shí)間延遲越嚴(yán)重，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性變得很差。因此傳統(tǒng)的編程方法不符合實(shí)際情況，本文設(shè)計(jì)了分時(shí)操作系統(tǒng)解決此問(wèn)題。

圖2暫存RAM分配圖

分時(shí)操作的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中首先劃分了一塊暫存參數(shù)的RAM，RAM區(qū)的大小跟需要監(jiān)測(cè)線路的多少有關(guān)，其分配情況如圖2所示，每一路參數(shù)都設(shè)置多組參數(shù)存貯，防止參數(shù)未讀取就被刷新。每一組的參數(shù)包括漏電流大小、漏電標(biāo)志位、線路的編號(hào)和發(fā)生的時(shí)間。

圖3 顯示任務(wù)流程圖

圖4 定時(shí)器中斷流程圖

要合理的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)分時(shí)系統(tǒng)必需要有合理的調(diào)度機(jī)制，完善的調(diào)度機(jī)制由調(diào)度指針和調(diào)度表組成。系統(tǒng)的調(diào)度就是“路任務(wù)”的調(diào)度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中按各線路智能采集模塊把系統(tǒng)劃分為N個(gè)“路任務(wù)”， “路任務(wù)”的執(zhí)行順序固定不變，從第一路任務(wù)到第N路，再?gòu)念^返回第一路，如此循環(huán)往復(fù)。相對(duì)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(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(zhǎng)超過(guò)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"路任務(wù)"，該調(diào)度表就有多少項(xiàng)數(shù)。調(diào)度指針為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(guò)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。
“路任務(wù)”的職責(zé)就是與智能采集模塊的CPU通信，收集線路的漏電參數(shù)的值，儲(chǔ)存在暫存RAM中，“路任務(wù)”中共同的部分：從串口讀取數(shù)據(jù)，安排在定時(shí)中斷中實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楦骶€路需要上傳的字節(jié)數(shù)很少，為三個(gè)字節(jié)(漏電流大小占用2個(gè)，超限標(biāo)志占用1個(gè)字節(jié))，因此在波特率9600的情況下，通信時(shí)間極短(3/960<4ms)，安排在定時(shí)中斷中實(shí)現(xiàn)比較合理。這樣“路任務(wù)”只需要設(shè)計(jì)出訪問(wèn)暫存RAM的方法，本例中在每路暫存區(qū)的開(kāi)頭定義訪問(wèn)指針，“路任務(wù)”每次訪問(wèn)時(shí)先讀取該值，然后把數(shù)據(jù)寫(xiě)入相應(yīng)的RAM區(qū)，返回時(shí)將訪問(wèn)指針指向下次要訪問(wèn)的地址，到了末尾地址時(shí)重新指向RAM的開(kāi)頭。因?yàn)樾枰蟼骱痛尜A的數(shù)據(jù)很少，每次任務(wù)(包括通信、讀取時(shí)鐘的值和存取數(shù)據(jù))的執(zhí)行非?？?，在ms級(jí)別，不超過(guò)10ms。為了使每次任務(wù)有充分時(shí)間執(zhí)行，留下一定的裕度設(shè)為20ms，并且把時(shí)間片設(shè)置成跟一次“路任務(wù)”的時(shí)間相同。每次時(shí)間片執(zhí)行完一次“路任務(wù)”，不需要在任務(wù)切換時(shí)保存寄存器的值，也不需要給每個(gè)任務(wù)分配特定的RAM單元使用，因此占用系統(tǒng)的資源很少。每一次“路任務(wù)”負(fù)責(zé)查詢線路的參數(shù)，查詢到后讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的值，每次任務(wù)的時(shí)間都在ms級(jí)，因此即使要監(jiān)測(cè)的線路有多條，延遲的時(shí)間也在可以忽略的范圍內(nèi)(按照時(shí)鐘1s的時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算，一次任務(wù)20ms，可以設(shè)置1000ms/20ms=50條線路,如果監(jiān)測(cè)線路≤50，最后延遲的時(shí)間也在1s之內(nèi),比傳統(tǒng)方法延遲100s有了質(zhì)的提高)。
在完成線路參數(shù)讀取的“路任務(wù)”之外，設(shè)置了一個(gè)“顯示任務(wù)”，采用LED顯示,顯示數(shù)據(jù)的時(shí)間不能太短，因此要考慮延時(shí)刷新顯示數(shù)據(jù)。采用軟件延時(shí)會(huì)占用CPU時(shí)間，使系統(tǒng)實(shí)時(shí)性變差，因此該任務(wù)交給硬件完成。設(shè)計(jì)中采用了Intel8279芯片，Intel8279具有主動(dòng)管理顯示存貯器輸出和同步掃描信號(hào)的能力。對(duì)用戶而言，只需編制寫(xiě)入顯示信息的程序，顯示任務(wù)執(zhí)行時(shí)，從暫存RAM中取數(shù)據(jù)并賦給Intel8279相應(yīng)的顯示RAM單元，只要顯示RAM的值不變，LED的顯示就不會(huì)改變。因此“顯示任務(wù)"就變成了寫(xiě)Intel 8279的顯示RAM,在一次時(shí)間片內(nèi)足夠完成?！帮@示任務(wù)"的特殊之處在于每隔兩秒執(zhí)行一次，采用如下措施實(shí)現(xiàn)：在定時(shí)器中斷中定義一個(gè)計(jì)數(shù)器，每次定時(shí)器中斷后，在定時(shí)服務(wù)子程序中計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1。如果計(jì)數(shù)器達(dá)到相應(yīng)的數(shù)值(本例中時(shí)間片=20ms，延時(shí)2s需要計(jì)數(shù)I=2000ms/20ms=100)，則調(diào)用“顯示任務(wù)”，計(jì)時(shí)器清0，否則調(diào)用“路任務(wù)”，計(jì)數(shù)器自動(dòng)加一。延時(shí)都采用這種方式，延時(shí)值即為計(jì)數(shù)器的值乘以20ms。這樣任何延時(shí)都不占用CPU機(jī)時(shí)?！帮@示任務(wù)”流程如圖3所示。
定時(shí)中斷定義為20ms，每次“任務(wù)“都由定時(shí)中斷負(fù)責(zé)開(kāi)啟，也就是每次時(shí)間片都是由定時(shí)終端負(fù)責(zé)分配的。定時(shí)器中斷流程如圖4所示。
分時(shí)操作系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是為本系統(tǒng)提供了很強(qiáng)的可靠性，因而程序具有很強(qiáng)的抗干擾能力。時(shí)間片的時(shí)間可以定義的很低，一些用軟件比較費(fèi)時(shí)的操作轉(zhuǎn)給硬件完成，因此對(duì)于程序來(lái)說(shuō)還提供了較好的實(shí)時(shí)性。

結(jié)語(yǔ)
分時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想對(duì)于多路重復(fù)控制的系統(tǒng)具有很好的實(shí)用性。本例將分時(shí)操作系統(tǒng)的思想引入單片機(jī)系統(tǒng)，并利用該方法實(shí)現(xiàn)了多路監(jiān)測(cè)任務(wù)，提高了系統(tǒng)的性能價(jià)格比，滿足了項(xiàng)目的一些特殊要求，在實(shí)際應(yīng)用中獲得成功。本例中的一些應(yīng)用只對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)，時(shí)間片設(shè)置的時(shí)間太長(zhǎng)，任務(wù)的執(zhí)行定義在一次時(shí)間片內(nèi)，對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)化了編程。如果把時(shí)間片設(shè)置的更低，并且每次任務(wù)劃出特定的內(nèi)存作為任務(wù)堆棧，任務(wù)在一次時(shí)間片內(nèi)不能執(zhí)行完時(shí)，壓棧處理。這樣可以更好的體現(xiàn)分時(shí)操作系統(tǒng)的原理，可以實(shí)現(xiàn)更高需求的應(yīng)用。
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