分時操作系統(tǒng)思想在單片機中的應(yīng)用分析

隨著單片機技術(shù)的發(fā)展，單片機開發(fā)的理念也在不斷更新：逐步采用高性能的16/32位單片機，采用C、JAVA等高級語言編程，采用RTOS及其平臺進行開發(fā)已經(jīng)成為一種趨勢。
　　分時操作系統(tǒng)概述
　　分時操作系統(tǒng)把CPU的時間劃分成長短基本相同的時間區(qū)間，即“時間片”，操作系統(tǒng)輪流分配給各個作業(yè)使用。某個作業(yè)在時間片結(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。分時操作系統(tǒng)主要具有以下3個特點：多路性，用戶通過各自的終端，可以同時使用一個系統(tǒng)。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。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，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，MCU是一個單片集成系統(tǒng)，它將這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)計人員清楚其最終具體應(yīng)用，它的使用環(huán)境相對是單一固定的。所控制過程的可預(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。
　　分時系統(tǒng)的應(yīng)用實例
　　系統(tǒng)硬件及原理
　　本文設(shè)計了一個涉及單片機通信以及顯示的漏電流智能監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
　　
　　圖1 漏電流智能監(jiān)測系統(tǒng)框圖
　　本系統(tǒng)用在低壓電網(wǎng)中負責監(jiān)測線路的漏電流，系統(tǒng)中智能采集單元負責采集線路的漏電流，通過串行總線與主控單片機通信，上傳線路參數(shù)值。主控單片機輪詢各線路，實時顯示漏電流值，當線路漏電流超過設(shè)定值時，在EEPROM中記錄漏電流的各項參數(shù)和發(fā)生的時刻，通過鍵盤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實時時鐘，因為不管從成本的角度還是從方便角度考慮，都不可能給每個采集模塊配置一個實時時鐘。采用傳統(tǒng)的編程方法時存在一個問題：當智能采集模塊有多路時，數(shù)據(jù)上傳后需要顯示該路數(shù)據(jù)，顯示時間不宜太短，下一路數(shù)據(jù)的顯示便出現(xiàn)延遲。線路的路數(shù)越多，編號靠后的線路的時間延遲越嚴重，系統(tǒng)的實時性變得很差。因此傳統(tǒng)的編程方法不符合實際情況，本文設(shè)計了分時操作系統(tǒng)解決此問題。
　　分時操作的實現(xiàn)
　　系統(tǒng)設(shè)計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、漏電標志位、線路的編號和發(fā)生的時間。
　　
　　圖2 暫存RAM分配圖
　　要合理的實現(xiàn)單片機分時系統(tǒng)必需要有合理的調(diào)度機制，完善的調(diào)度機制由調(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)計中按各線路智能采集模塊把系統(tǒng)劃分為N個“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，再從頭返回第一路，如此循環(huán)往復(fù)。相對應(yīng)的“路”調(diào)度指針還應(yīng)構(gòu)造“路”調(diào)度表?！奥贰闭{(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“路任務(wù)”，該調(diào)度表就有多少項數(shù)。調(diào)度指針為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。