分時操作系統思想在單片機中的應用分析

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?！奥贰闭{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。