分时操作系统思想在单片机中的具体应用

随着单片机技术的发展，单片机开发的理念也在不断更新：逐步采用高性能的16/32位单片机，采用C、JAVA等高级语言编程，采用RTOS及其平台进行开发已经成为一种趋势。

分时操作系统概述

分时操作系统把CPU的时间划分成长短基本相同的时间区间，即"时间片"，操作系统轮流分配给各个作业使用。某个作业在时间片结束完成，该作业将被挂起，等待下一轮循环再继续做。分时操作系统主要具有以下3个特点：多路性，用户通过各自的终端，可以同时使用一个系统。及时性，用户提出的各种要求，能在较短或可容忍的时间内得到响应和处理。独占性，在分时系统中，虽然允许多个用户同时使用一个 CPU，但用户之间操作独立，互不干涉。

分时操作系统主要是针对小型机以上的计算机提出的。一般而言，MPU驱动的通用计算机，系统设计人员对每一台的最终具体应用都是不得而知的，因此，在价格允许的情况下，硬件设计务求CPU时钟尽可能的快；计算及管理能力尽可能的强；程序和数据存储器的容量尽可能的大；各种计算机外设的配接尽可能的详尽等等。特别是采用分时操作系统的机器，因为是一机多用户的管理系统，它的要求就更高了。相对而言，MCU是一个单片集成系统，它将这些计算机所需的外设，诸如程序和数据存储器、端口以及有关的子系统集成到一片芯片上。从硬件上，单片机系统与采用分时操作系统的计算机系统是无法比拟的。但是，在单片机系统的设计中，设计人员清楚其最终具体应用，它的使用环境相对是单一固定的。所控制过程的可预见性为分时系统思想的实现提供了可能性。具体就是：虽然单片机的CPU速度较低，但其任务是可预见的，这样作业调度将变得简单而无须占用很多的CPU时间，同时“时间片”的设计是具体而有针对性的，因此可变得很有效。

                 图1 漏电流智能监测系统框图

分时系统的应用实例

系统硬件及原理

本文设计了一个涉及单片机通信以及显示的漏电流智能监测系统，系统框图如图1所示。

本系统用在低压电网中负责监测线路的漏电流，系统中智能采集单元负责采集线路的漏电流，通过串行总线与主控单片机通信，上传线路参数值。主控单片机轮询各线路，实时显示漏电流值，当线路漏电流超过设定值时，在EEPROM中记录漏电流的各项参数和发生的时刻，通过键盘显示可以查询以往线路的情况。由图1可知：各智能采集模块共用一个实时时钟，因为不管从成本的角度还是从方便角度考虑，都不可能给每个采集模块配置一个实时时钟。采用传统的编程方法时存在一个问题：当智能采集模块有多路时，数据上传后需要显示该路数据，显示时间不宜太短，下一路数据的显示便出现延迟。线路的路数越多，编号靠后的线路的时间延迟越严重，系统的实时性变得很差。因此传统的编程方法不符合实际情况，本文设计了分时操作系统解决此问题。

   图2暂存RAM分配图

分时操作的实现

系统设计中首先划分了一块暂存参数的RAM，RAM区的大小跟需要监测线路的多少有关，其分配情况如图2所示，每一路参数都设置多组参数存贮，防止参数未读取就被刷新。每一组的参数包括漏电流大小、漏电标志位、线路的编号和发生的时间。

         图3 显示任务流程图

            图4 定时器中断流程图

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要合理的实现单片机分时系统必需要有合理的调度机制，完善的调度机制由调度指针和调度表组成。系统的调度就是“路任务”的调度，在系统设计中按各线路智能采集模块把系统划分为N个“路任务”， “路任务”的执行顺序固定不变，从第一路任务到第N路，再从头返回第一路，如此循环往复。相对应的"路"调度指针还应构造"路"调度表。"路"调度表每一项表示各"路"程序入口地址及跳转指令。以MCS-51单片机为例，采用AJMP addr11作为每一项的内容，则调度表的每一表项占2个字节；当程序较长超过2K字节，则采用LJMP addr16作为每一项内容，占3个字节。所设计的单片机系统共有多少"路任务"，该调度表就有多少项数。调度指针为1个字节的整数变量。调度指针与调度表的联系是通过指令JMP @A+DPTR实现的。DPTR中是调度表的首地址。累加器A中的内容是调度指针的整数倍，若表项内容是AJMP addr11，则A的值为调度指针乘2；若表项内容是LJMP addr16，则A的值为调度指针乘3。

“路任务”的职责就是与智能采集模块的 CPU通信，收集线路的漏电参数的值，储存在暂存RAM中，“路任务”中共同的部分：从串口读取数据，安排在定时中断中实现，因为各线路需要上传的字节数很少，为三个字节(漏电流大小占用2个，超限标志占用1个字节)，因此在波特率9600的情况下，通信时间极短(3/960<4ms)，安排在定时中断中实现比较合理。这样“路任务”只需要设计出访问暂存RAM的方法，本例中在每路暂存区的开头定义访问指针，“路任务”每次访问时先读取该值，然后把数据写入相应的RAM区，返回时将访问指针指向下次要访问的地址，到了末尾地址时重新指向RAM的开头。因为需要上传和存贮的数据很少，每次任务(包括通信、读取时钟的值和存取数据)的执行非常快，在ms级别，不超过10ms。为了使每次任务有充分时间执行，留下一定的裕度设为20ms，并且把时间片设置成跟一次“路任务”的时间相同。每次时间片执行完一次“路任务”，不需要在任务切换时保存寄存器的值，也不需要给每个任务分配特定的RAM单元使用，因此占用系统的资源很少。每一次“路任务”负责查询线路的参数，查询到后读取实时时钟的值，每次任务的时间都在ms级，因此即使要监测的线路有多条，延迟的时间也在可以忽略的范围内(按照时钟1s的时间步长计算，一次任务20ms，可以设置1000ms/20ms=50条线路,如果监测线路≤50，最后延迟的时间也在1s之内,比传统方法延迟100s有了质的提高)。

在完成线路参数读取的“路任务”之外，设置了一个“显示任务”，采用LED显示,显示数据的时间不能太短，因此要考虑延时刷新显示数据。采用软件延时会占用CPU时间，使系统实时性变差，因此该任务交给硬件完成。设计中采用了 Intel8279芯片，Intel8279具有主动管理显示存贮器输出和同步扫描信号的能力。对用户而言，只需编制写入显示信息的程序，显示任务执行时，从暂存RAM中取数据并赋给Intel8279相应的显示RAM单元，只要显示RAM的值不变，LED的显示就不会改变。因此“显示任务"就变成了写 Intel 8279的显示RAM,在一次时间片内足够完成。“显示任务"的特殊之处在于每隔两秒执行一次，采用如下措施实现：在定时器中断中定义一个计数器，每次定时器中断后，在定时服务子程序中计数器自动加1。如果计数器达到相应的数值(本例中时间片=20ms，延时2s需要计数I=2000ms/20ms= 100)，则调用“显示任务”，计时器清0，否则调用“路任务”，计数器自动加一。延时都采用这种方式，延时值即为计数器的值乘以20ms。这样任何延时都不占用CPU机时。“显示任务”流程如图3所示。

定时中断定义为20ms，每次“任务“都由定时中断负责开启，也就是每次时间片都是由定时终端负责分配的。定时器中断流程如图4所示。

分时操作系统最大的优点是为本系统提供了很强的可靠性，因而程序具有很强的抗干扰能力。时间片的时间可以定义的很低，一些用软件比较费时的操作转给硬件完成，因此对于程序来说还提供了较好的实时性。

结语

分时系统的设计思想对于多路重复控制的系统具有很好的实用性。本例将分时操作系统的思想引入单片机系统，并利用该方法实现了多路监测任务，提高了系统的性能价格比，满足了项目的一些特殊要求，在实际应用中获得成功。本例中的一些应用只对本系统设计，时间片设置的时间太长，任务的执行定义在一次时间片内，对于本系统来说简化了编程。如果把时间片设置的更低，并且每次任务划出特定的内存作为任务堆栈，任务在一次时间片内不能执行完时，压栈处理。这样可以更好的体现分时操作系统的原理，可以实现更高需求的应用。

参考文献
1 蔡建平. 关于嵌入式应用开发技术[J]， 单片机与嵌入式系统应用，2001，[1]
2 李大友主编. 计算机操作系统[M].北京：机械工业出版社，1998
3陆惠恩，陆陪恩. 软件工程[M].北京：电子工业出版社，1997