分時操作系統(tǒng)思想在單片機中的具體應用

關鍵詞：分時系統(tǒng)；可靠性

隨著單片機技術的發(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(shù)據(jù)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(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，諸如程序和數(shù)據(jù)存儲器、端口以及有關的子系統(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)的設計中，設計人員清楚其最終具體應用，它的使用環(huán)境相對是單一固定的。所控制過程的可預見性為分時系統(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，但其任務是可預見的，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”的設計是具體而有針對性的，因此可變得很有效。

圖1 漏電流智能監(jiān)測系統(tǒng)框圖

分時系統(tǒng)的應用實例
系統(tǒng)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(jiān)測系統(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，本文設計了分時操作系統(tǒng)解決此問題。

圖2暫存RAM分配圖

分時操作的實現(xiàn)
系統(tǒng)設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，其分配情況如圖2所示，每一路參數(shù)都設置多組參數(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3 顯示任務流程圖

圖4 定時器中斷流程圖

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”的調(diào)度，在系統(tǒng)設計中按各線路智能采集模塊把系統(tǒng)劃分為N個“路任務”， “路任務”的執(zhí)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(huán)往復。相對應的"路"調(diào)度指針還應構造"路"調(diào)度表。"路"調(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)。所設計的單片機系統(tǒng)共有多少"路任務"，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。
“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(shù)的值，儲存在暫存RAM中，“路任務”中共同的部分：從串口讀取數(shù)據(jù)，安排在定時中斷中實現(xiàn)，因為各線路需要上傳的字節(jié)數(shù)很少，為三個字節(jié)(漏電流大小占用2個，超限標志占用1個字節(jié))，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(xiàn)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(qū)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(shù)據(jù)寫入相應的RAM區(qū)，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(shù)據(jù)很少，每次任務(包括通信、讀取時鐘的值和存取數(shù)據(jù))的執(zhí)行非?？欤趍s級別，不超過10ms。為了使每次任務有充分時間執(zhí)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(zhí)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(tǒng)的資源很少。每一次“路任務”負責查詢線路的參數(shù)，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(jiān)測的線路有多條，延遲的時間也在可以忽略的范圍內(nèi)(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(jiān)測線路≤50，最后延遲的時間也在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”之外，設置了一個“顯示任務”，采用LED顯示,顯示數(shù)據(jù)的時間不能太短，因此要考慮延時刷新顯示數(shù)據(jù)。采用軟件延時會占用CPU時間，使系統(tǒng)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(zhí)行時，從暫存RAM中取數(shù)據(jù)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(nèi)足夠完成?！帮@示任務"的特殊之處在于每隔兩秒執(zhí)行一次，采用如下措施實現(xiàn)：在定時器中斷中定義一個計數(shù)器，每次定時器中斷后，在定時服務子程序中計數(shù)器自動加1。如果計數(shù)器達到相應的數(shù)值(本例中時間片=20ms，延時2s需要計數(shù)I=2000ms/20ms=100)，則調(diào)用“顯示任務”，計時器清0，否則調(diào)用“路任務”，計數(shù)器自動加一。延時都采用這種方式，延時值即為計數(shù)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。
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。
分時操作系統(tǒng)最大的優(yōu)點是為本系統(tǒng)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(zhuǎn)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(tǒng)的設計思想對于多路重復控制的系統(tǒng)具有很好的實用性。本例將分時操作系統(tǒng)的思想引入單片機系統(tǒng)，并利用該方法實現(xiàn)了多路監(jiān)測任務，提高了系統(tǒng)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(tǒng)設計，時間片設置的時間太長，任務的執(zhí)行定義在一次時間片內(nèi)，對于本系統(tǒng)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(nèi)存作為任務堆棧，任務在一次時間片內(nèi)不能執(zhí)行完時，壓棧處理。這樣可以更好的體現(xiàn)分時操作系統(tǒng)的原理，可以實現(xiàn)更高需求的應用。
參考文獻
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