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分时操作系统思想在单片机中的具体应用

发布时间:2020-07-21 18:59:58 阅读: 来源:钢筋调直机厂家

摘要:本文提出基于分时操作系统思想的单片机系统设计方案,用串行通信循环监测单片机,解决了传统方案中实时性差的问题。

关键词:分时系统;可靠性

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 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

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