前言

         作為嵌入式系統(tǒng)主控單元——單片機,，其軟件往往是一個微觀的實時操作系統(tǒng),，且大部分是為某種應用而專門設計的,。系統(tǒng)程序有實時過程控制或?qū)崟r信息處理的能力,，要求能夠及時響應隨機發(fā)生的外部事件并對該事件做出快速處理,。而分時操作系統(tǒng)卻是把CPU的時間劃分成長短基本相同的時間區(qū)間,，即“時間片”，通過操作系統(tǒng)的管理,，把這些時間片依次輪流地分配給各個用戶使用,。如果某個作業(yè)在時間片結束之前，整個任務還沒有完成,，那么該作業(yè)就被暫停下來,，放棄CPU，等待下一輪循環(huán)再繼續(xù)做,。此時CPU又分配給另一個作業(yè)去使用,。由于計算機的處理速度很快，只要時間片的間隔取得適當,，那么一個用戶作業(yè)從用完分配給它的一個時間片到獲得下一個CPU時間片,，中間有所“停頓”,；但用戶察覺不出來，好像整個系統(tǒng)全由它“獨占”似的,。分時操作系統(tǒng)主要具有以下3個特點：① 多路性,。用戶通過各自的終端，可以同時使用一個系統(tǒng),。② 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,。③ 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,，微處理器（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，微控制器（MCU）俗稱單片機,，是一個單片集成系統(tǒng),，它將這些或那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，設計人員對其最終具體應用是一清二楚的,，它的使用環(huán)境相對是單一固定的,。所控制的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,。具體一點就是：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,。
一,、單片機分時系統(tǒng)的設計

       單片機系統(tǒng)往往是一個嵌入式的控制系統(tǒng)，因此目前絕大部分的單片機系統(tǒng)還是一實時系統(tǒng),。能夠真正體現(xiàn)分時系統(tǒng)的設計思想的往往是那些多路重復檢測控制系統(tǒng),。即便是在這些多路重復檢測控制系統(tǒng)中，它的實時性也是非常重要的,。也就是說,，在單片機系統(tǒng)中應用了分時系統(tǒng)設計思想，但其及時性應首先進行考慮,。

1.對單片機分時系統(tǒng)硬件設計的建議

       隨著單片機性能的提高,，單片機系統(tǒng)設計中的一些硬件功能軟件化是大勢所趨。但同時,，一日千里的芯片技術也為低成本的硬件完成高性能的功能提供可能,。讓一種功能到底是通過硬件實現(xiàn)還是通過軟件來實現(xiàn)不能一概而論，只能是通過系統(tǒng)設計讓整個系統(tǒng)的性能價格比最高才是每個單片機系統(tǒng)設計者孜孜追求的目標,。

      在單片機分時系統(tǒng)的硬件設計中,，由于對系統(tǒng)的及時性的要求不能降低，而大多數(shù)單片機的處理速度相對而言是較慢的,。因此,，在接口硬件的設計上應采用一些能將信息量保持的器件，如觸發(fā)器,、鎖存器,。同時要求這些器件應該是三態(tài)門輸出，因為是多路分時系統(tǒng),，當CPU沒有訪問到時,，器件輸出呈現(xiàn)高阻，以利于總線對其他器件的訪問,。還有,，一些用軟件比較費時的操作應轉(zhuǎn)給硬件完成。如LED動態(tài)顯示,，沒有必要一定用intel 8155或intel 8255硬件接口讓軟件時時為顯示數(shù)字而煞費苦心,，完全可以用intel 8279或MAX7218及MAX7219這些可編程外圍器件來完成，使顯示既漂亮又簡單,。當然,，到底哪些功能留給硬件完成,，哪些功能留給軟件完成，應根據(jù)系統(tǒng)的不同而具體設計,?？傊瑧傮w考慮,，追求最高的性能價格比,。

2.單片機分時系統(tǒng)的軟件設計

      為了合理實現(xiàn)單片機分時系統(tǒng)，還須有完善的調(diào)度機制,。完善的調(diào)度機制主要由調(diào)度指針和調(diào)度表組成,。系統(tǒng)的調(diào)度分成兩級，一是“路”的調(diào)度,，相當于指示程序橫向進行：從第一路的某一作業(yè)到第二路的某一作業(yè),，從第二路的某一作業(yè)再到第三路的某一作業(yè)……從最后一路回到第一路，循環(huán)往復,。“路”調(diào)度的調(diào)度指針變化規(guī)律是固定不變的,，算法簡單，即遞增一或遞減一,，循環(huán)到頭后,，再返回到起始。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”,，該調(diào)度表就有多少項數(shù),。二是作業(yè)調(diào)度，即相當于指示程序縱向進行：從某一路的第一作業(yè)指向該路第二作業(yè),，第二作業(yè)指向第四作業(yè)……也有從第六作業(yè)指回第三作業(yè)的等等,。因稍復雜任務的流向都不可能是單方向性的，從上一作業(yè)流到下一作業(yè)都要根據(jù)系統(tǒng)的檢測或運算結果來決定,，因此作業(yè)調(diào)度指針的變化是隨機決定的,。作業(yè)調(diào)度表的構成形式與“路”調(diào)度表相同，每一項表示各作業(yè)模塊的程序入口地址及跳轉(zhuǎn)指令,。作業(yè)調(diào)度表指示出各作業(yè)執(zhí)行的一般先后次序,，表項數(shù)等于一路任務的最大作業(yè)數(shù),。為了分清每路的任務進程，單片機系統(tǒng)要控制多少路就必須有多少個作業(yè)調(diào)度指針及相應作業(yè)調(diào)度表,。以上兩級指針都為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。

      除了以上主程序的調(diào)度設計外,，各個作業(yè)中共同的功能應放在中斷中實現(xiàn),，主要是放在定時器中斷。如計時功能應放在定時器定時中斷中實現(xiàn),，定時參數(shù)的選 擇應考慮到系統(tǒng)各個作業(yè)中各種計時的要求,，定時頻率一般為最小計時頻率的整數(shù)倍。任何軟件延時都是不允許的,。 實現(xiàn)分時控制的關鍵是在于合理地將系統(tǒng)的功能分解成各個作業(yè)模塊,。作業(yè)模塊分得越細系統(tǒng)的實時性就越好。雖然單片機的時鐘頻率較低,，在實際應用中當各個作 業(yè)模塊被細分成各個“動作”及簡單的運算后,，分時系統(tǒng)的實時性是能得到保證的。缺點就是各“路”的控制處理程序被分割得支離破碎,，模塊化得不到保證,。

　　二、應用實例

　　1.系統(tǒng)硬件及工作原理

　 　賓館用的視頻點播系統(tǒng)VOD（Video On Demand）中,，從各個機定盒送出的上行信號用DTMF碼通過電話線傳輸?shù)綑C房的主控制柜中的上行信號采集卡中,。為了能同時接受多個用戶的點播操作，上 行信號采集卡必須有接受多路電話傳輸信息的功能,，為此,，筆者設計了8路電話采集卡，可同時接受8路用戶的點播操作,，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示,。

　 　每路大致的主程序是：檢測到振鈴信號后(即為振鈴檢測腳變低并保持8ms以上)，繼電器吸合,，同時馬上給機定盒回一接通信號——#鍵(保持 400ms),。然后等待機定盒發(fā)送點播信息：客房號、點播的節(jié)目號，共4位DTMF碼,；若1s內(nèi)無DTMF碼收到(收到表示為解碼芯片的DV腳變高)表示 操作有誤,，繼電器斷開，狀態(tài)位復原,，作業(yè)指針回0,。收齊4位DTMF碼后將其整理并帶上該路的標志，轉(zhuǎn)化成3字節(jié)送到串行發(fā)送緩沖區(qū),，在定時器中斷服務程 序中發(fā)送,。等待視頻服務器回送應答信息，根據(jù)應答信息不同向機定盒回送不同的信息,；若超時無應答也向機定盒回送一碼(發(fā)碼時間都為100ms),。最后，繼 電器斷開,，狀態(tài)標志復原,，緩沖區(qū)清0，作業(yè)指針也回到0,。一個過程完成,。

　2.作業(yè)流程

　　為了能實現(xiàn)8路分時工作，最主要的工作是將這一過程細分成一個個作業(yè),。筆者通過設計把它分成8個作業(yè),，各作業(yè)的流程如圖2所示。 以上每一作業(yè)返回后,“路”指針自動加1,，到8后回到0,，以保證分時工作合理。

　　3.幾點技巧

　　8路電話信息采集卡的編程中,，為了使程序更精練,，筆者應用以下3個技巧：

　 　① 因為這8路的工作是相同的,，程序可以共用,，只須再構造1“路”地址表，每一表項含有本路的輸入鎖存器地址,、輸出鎖存器地址,、DTMF碼存放RAM地址、計 時單元地址,。這樣可以省掉“路”調(diào)度表，因為各路相同作業(yè)的入口地址是相同的,。根據(jù)“路”指針的不同,，帶入該“路”的地址表項，即可用相同的程序?qū)?路分 別控制操作,。

　?、?定時器中斷設置成4ms一次,，這是因為電話振鈴是25Hz，檢測腳保持低電平的時間為10ms,，它是最低的計時值,。當振鈴檢測腳低電平保持時間少于8ms 時可認為是干擾。每一路都有自己的計時單元,，每次定時器中斷后,，在定時服務自程序中各路計時單元自動加1。在上一次作業(yè)中將計時單元請0,，下一次作業(yè)讀出 計時單元的值,，延時值即為該值乘以4ms。這樣任何延時都不占用CPU機時,。

　?、?串行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是8路共有的操作，采用共同的模塊,。數(shù)據(jù)的鏈接是通過開辟緩沖區(qū)實現(xiàn)的,，有發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)，采用4800baud的波特率,。 一般程序的串行數(shù)據(jù)發(fā)送時,，都須要檢測TI位的變化來判斷1字節(jié)數(shù)據(jù)發(fā)送是否完成，由此決定可否發(fā)下一字節(jié)數(shù)據(jù),。應用到分時系統(tǒng)是行不通的,，這要占用 CPU機時，因為采用4800baud的波特率,，則每一字節(jié)的發(fā)送時間少于4ms,。當發(fā)送緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時，可在定時器中斷服務自程序中發(fā)送,。每一次定時中 斷中發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù),，當下一次定時中斷來時，上一字節(jié)數(shù)據(jù)必定已發(fā)送完畢,，可發(fā)送下一字節(jié)數(shù)據(jù),。無須檢測TI位，也不占用CPU機時,。數(shù)據(jù)接收采用串行中 斷,，接收到的數(shù)據(jù)存放到接收緩沖區(qū)供各路查詢。

　　結論

　　將分時操作系統(tǒng)的思想引入單片機系統(tǒng),，提出了一個針對多路檢測控制的單片機系統(tǒng)軟件編程,。大大減低了系統(tǒng)的設計成本，提高了系統(tǒng)的性能價格比，并在實際應用中獲得成功,。