分时操作系统思想在单片机中的应用分析

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。
　　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。
　　
　　图1 漏电流智能监测系统框图
　　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。
　　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2 暂存RAM分配图
　　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。