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(yīng)用而專門設(shè)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(yīng)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(jié)束之前,，整個任務(wù)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(yīng)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(shè)計人員對每一臺的最終具體應(yīng)用都是不得而知的，因此,，在價格允許的情況下,，硬件設(shè)計務(wù)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(shè)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(shè)，諸如程序和數(shù)據(jù)存儲器,、端口以及有關(guān)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(shè)計中，設(shè)計人員對其最終具體應(yīng)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(yù)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(wù)是可預(yù)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(shè)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(shè)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(shè)計思想的往往是那些多路重復(fù)檢測控制系統(tǒng)。即便是在這些多路重復(fù)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(yīng)用了分時系統(tǒng)設(shè)計思想,，但其及時性應(yīng)首先進行考慮,。

1.對單片機分時系統(tǒng)硬件設(shè)計的建議

       隨著單片機性能的提高，單片機系統(tǒng)設(shè)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(shù)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(shè)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(shè)計者孜孜追求的目標,。

      在單片機分時系統(tǒng)的硬件設(shè)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(shè)計上應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的不同而具體設(shè)計?？傊?，應(yīng)總體考慮，追求最高的性能價格比,。

2.單片機分時系統(tǒng)的軟件設(shè)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(fù)。“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(yīng)的“路”調(diào)度指針還應(yīng)構(gòu)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(shè)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(fù)雜任務(wù)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(jié)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(gòu)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(wù)的最大作業(yè)數(shù)。為了分清每路的任務(wù)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(yīng)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(shè)計外,，各個作業(yè)中共同的功能應(yīng)放在中斷中實現(xiàn)，主要是放在定時器中斷,。如計時功能應(yīng)放在定時器定時中斷中實現(xiàn),，定時參數(shù)的選 擇應(yīng)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(guān)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(fù)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(wù)程 序中發(fā)送,。等待視頻服務(wù)器回送應(yīng)答信息,，根據(jù)應(yīng)答信息不同向機定盒回送不同的信息；若超時無應(yīng)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(fù)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(shè)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(yīng)用以下3個技巧：

　 ?、?因為這8路的工作是相同的,，程序可以共用，只須再構(gòu)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(shè)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(wù)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,。

　　③ 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(yīng)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(wù)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(jié)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(shè)計成本,，提高了系統(tǒng)的性能價格比,，并在實際應(yīng)用中獲得成功。