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隨著單片機技術的發展，單片機開發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及其平臺進行開發已經成為一種趨勢。 分時操作系統概述 分時操作系統把CPU的時間劃分成長短基本相同的時間區間，即"時間片"，操作系統輪流分配給各個作業使用。某個作業在時間片結束完成，該作業將被掛起，等待下一輪循環再繼續做。分時操作系統主要具有以下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。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。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，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，MCU是一個單片集成系統，它將這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，設計人員清楚其最終具體應用，它的使用環境相對是單一固定的。所控制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。 分時系統的應用實例 系統硬件及原理 本文設計了一個涉及單片機通信以及顯示的漏電流智能監測系統，系統框圖如圖1所示。 圖1 漏電流智能監測系統框圖 本系統用在低壓電網中負責監測線路的漏電流，系統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定值時，在EEPROM中記錄漏電流的各項參數和發生的時刻，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。采用傳統的編程方法時存在一個問題：當智能采集模塊有多路時，數據上傳后需要顯示該路數據，顯示時間不宜太短，下一路數據的顯示便出現延遲。線路的路數越多，編號靠后的線路的時間延遲越嚴重，系統的實時性變得很差。因此傳統的編程方法不符合實際情況，本文設計了分時操作系統解決此問題。 分時操作的實現 系統設計中首先劃分了一塊暫存參數的RAM，RAM區的大小跟需要監測線路的多少有關，其分配情況如圖2所示，每一路參數都設置多組參數存貯，防止參數未讀取就被刷新。每一組的參數包括漏電流大小、漏電標志位、線路的編號和發生的時間。 圖2暫存RAM分配圖 要合理的實現單片機分時系統必需要有合理的調度機制，完善的調度機制由調度指針和調度表組成。系統的調度就是“路任務”的調度，在系統設計中按各線路智能采集模塊把系統劃分為N個“路任務”， “路任務”的執行順序固定不變，從第一路任務到第N路，再從頭返回第一路，如此循環往復。相對應的"路"調度指針還應構造"路"調度表。"路"調度表每一項表示各"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個字節；當程序較長超過2K字節，則采用LJMP addr16作為每一項內容，占3個字節。所設計的單片機系統共有多少"路任務"，該調度表就有多少項數。調度指針為1個字節的整數變量。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。 “路任務”的職責就是與智能采集模塊的CPU通信，收集線路的漏電參數的值，儲存在暫存RAM中，“路任務”中共同的部分：從串口讀取數據，安排在定時中斷中實現，因為各線路需要上傳的字節數很少，為三個字節(漏電流大小占用2個，超限標志占用1個字節)，因此在波特率9600的情況下，通信時間極短(3/960＜4ms)，安排在定時中斷中實現比較合理。這樣“路任務”只需要設計出訪問暫存RAM的方法，本例中在每路暫存區的開頭定義訪問指針，“路任務”每次訪問時先讀取該值，然后把數據寫入相應的RAM區，返回時將訪問指針指向下次要訪問的地址，到了末尾地址時重新指向RAM的開頭。因為需要上傳和存貯的數據很少，每次任務(包括通信、讀取時鐘的值和存取數據)的執行非常快，在ms級別，不超過10ms。為了使每次任務有充分時間執行，留下一定的裕度設為20ms，并且把時間片設置成跟一次“路任務”的時間相同。每次時間片執行完一次“路任務”，不需要在任務切換時保存寄存器的值，也不需要給每個任務分配特定的RAM單元使用，因此占用系統的資源很少。每一次“路任務”負責查詢線路的參數，查詢到后讀取實時時鐘的值，每次任務的時間都在ms級，因此即使要監測的線路有多條，延遲的時間也在可以忽略的范圍內(按照時鐘1s的時間步長計算，一次任務20ms，可以設置1000ms/20ms=50條線路,如果監測線路≤50，最后延遲的時間也在1s之內,比傳統方法延遲100s有了質的提高)。 在完成線路參數讀取的“路任務”之外，設置了一個“顯示任務”，采用LED顯示,顯示數據的時間不能太短，因此要考慮延時刷新顯示數據。采用軟件延時會占用CPU時間，使系統實時性變差，因此該任務交給硬件完成。設計中采用了Intel8279芯片，Intel8279具有主動管理顯示存貯器輸出和同步掃描信號的能力。對用戶而言，只需編制寫入顯示信息的程序，顯示任務執行時，從暫存RAM中取數據并賦給Intel8279相應的顯示RAM單元，只要顯示RAM的值不變，LED的顯示就不會改變。因此“顯示任務"就變成了寫Intel 8279的顯示RAM,在一次時間片內足夠完成。“顯示任務"的特殊之處在于每隔兩秒執行一次，采用如下措施實現：在定時器中斷中定義一個計數器，每次定時器中斷后，在定時服務子程序中計數器自動加1。如果計數器達到相應的數值(本例中時間片=20ms，延時2s需要計數I=2000ms/20ms=100)，則調用“顯示任務”，計時器清0，否則調用“路任務”，計數器自動加一。延時都采用這種方式，延時值即為計數器的值乘以20ms。這樣任何延時都不占用CPU機時。“顯示任務”流程如圖3所示。 圖3 顯示任務流程圖 定時中斷定義為20ms，每次“任務“都由定時中斷負責開啟，也就是每次時間片都是由定時終端負責分配的。定時器中斷流程如圖4所示。 圖4 定時器中斷流程圖 分時操作系統最大的優點是為本系統提供了很強的可靠性，因而程序具有很強的抗干擾能力。時間片的時間可以定義的很低，一些用軟件比較費時的操作轉給硬件完成，因此對于程序來說還提供了較好的實時性。 結語 分時系統的設計思想對于多路重復控制的系統具有很好的實用性。本例將分時操作系統的思想引入單片機系統，并利 用該方法實現了多路監測任務，提高了系統的性能價格比，滿足了項目的一些特殊要求，在實際應用中獲得成功。本例中的一些應用只對本系統設計，時間片設置的時間太長，任務的執行定義在一次時間片內，對于本系統來說簡化了編程。如果把時間片設置的更低，并且每次任務劃出特定的內存作為任務堆棧，任務在一次時間片內不能執行完時，壓棧處理。這樣可以更好的體現分時操作系統的原理，可以實現更高需求的應用。 |
