摘要 在系统控制过程中，实时性是系统性能的一个重要测试指标。应用实时操作系统是保证实时性的一种普遍方法，但是一些资源相对缺乏的单片机是不适合用操作系统的。本文介绍在中低档控制系统中，在不采用实时操作系统的情况下，如何对多个任务进行控制，以达到实时性要求的方法。

关键词 嵌入式系统 单片机 实时操作系统

引言

　　在嵌入式控制系统的设计中，如何对被控制的多个任务进行有效协调，使其动作顺序合理、响应速度快捷，往往是设计者所考虑的一个很重要的方面，也是衡量检验一个系统的综合性能的重要指标。为了在多个任务的协调控制中满足实时性的要求，设计者往往会考虑在系统中嵌入目前流行的某种实时操作系统。现在也有一些通过验证的比较优秀的实时操作系统可供选择，有的源代码甚至是免费提供的，网上也有大量的移植成功的源代码范例。基于实时操作系统编程可以大大缩短开发的周期，实时性也有足够的保证。基于实时操作系统编程的代价之一是，增加了程序代码的长度；代价之二是，需要较多的RAM空间，在不扩展片外存储器的情况下，中低档单片机是难以胜任的。另一方面，大部分中低档应用系统通过合理的设计，采用基于裸机编程（没有实时操作系统）的方法，也可以保证一定的实时性，从而达到实时控制的要求，这是本文所要介绍的内容。

1  系统设计原理

1.1  通过定时中断间隔的设计来保证实时性

　　为了完成控制系统中多任务的实时响应要求，可以利用定时中断作为系统的时钟。每个中断的间隔作为时钟的最小基本单位，这个值要小于或等于被控制的各个任务中对时间要求最苛刻的任务的最大允许响应时间。定时间隔越短，响应越快捷，但系统CPU的负担也越重（因为CPU休眠的时间也越来越少）。这是一对相互矛盾的事物，需要设计者谨慎的协调才能达到最完美的效果。例如在配料控制系统中，如果加料速度为20 kg/s，要求配料误差为1 kg，则系统的实时性必须保证在50 ms之内。为了留有余地，可将定时中断间隔设置为20 ms。

1.2  通过对所有任务的及时“照看”来管理多任务

　　可以根据各个任务对实时性要求的不同程度,将任务分为不同的类型。对实时性要求越是苛刻的任务，就需要得到系统越频繁的“照看”。对于实时性要求不高的任务，系统对它的“照看”时间间隔可以长一些。例如，有两个任务A和B，任务A每秒必须“照看”10次，任务B每秒必须“照看”2次，则控制流程如图1所示。从图1中可以看出，任务A每隔0.1 s“照看”1次，任务B每隔0.5 s“照看”1次。对实时性要求基本相同的若干任务，可依次“照看”,其程序流程如图2所示。

图1  处理实时性要求不同的任务      图2  处理实时性要求基本相同的任务

　　将所有任务都放在定时监控循环中来“照看”，就可以使各个任务得到实时“照看”，问题的关键是系统如何“照看”各个任务。如果某任务运行一次所需要的时间远小于定时间隔，则该任务可安排在系统“照看”它时完整地执行一次。在这种情况下，“照看”某任务和“运行”某任务是一回事。如果某任务的运行时间远大于定时间隔，例如在配料系统中，一次配料任务需要数十秒钟，而定时间隔只有20 ms，因此，在“照看”该任务时不可能等待它完成后再“照看”其他任务，否则系统就会崩溃。为此，系统对任何任务的“照看”时间必须远小于定时间隔，只有这样才能保证系统在一个定时间隔中完成对所有任务的“照看”。由此可以看出，在本方法中，任何任务都不能较长时间单独占有CPU，而是在不断地得到系统的 “照看”，通过“照看”来维持各个任务的正常运行。

1.3  将任务分解为若干状态

　　对于执行时间大于定时间隔的任务，其执行过程都是由若干不同状态构成的。在不同状态下，需要系统进行不同方式的“照看”，为此，为这个任务设置一个状态变量，以指示该任务当前的状态。当系统 “照看”该任务时，首先读取该任务的状态变量，然后根据状态变量的值来执行对应的“照看”操作。

　　为了使系统能够及时从某个任务脱身，以便及时“照看”另外的任务，则任何“照看”操作都必须非常简短（远小于定时间隔）。如果某个任务的某种状态需要系统较长时间的“照看”（如进行一段比较复杂的数据处理），则必须将这个状态再分解为若干状态，直到每个状态需要的处理时间均比定时中断间隔短得多。也可以设置若干标志，将这些耗时的处理过程放在后台处理。

1.4  与实时操作系统的比较

　　①  本方法没有优先级的概念，所有任务都一视同仁得到“照看”，不存在“任务调度”问题，从根本上简化了系统软件设计，也大大降低了对硬件资源的要求。

　　②  本方法与“时间片轮回”方法类似，但有两点不同：第一是每个任务得到的“时间片”是不固定的，与该任务的当前状态有关，当该任务处于停止状态时，其“照看”操作所需要的时间就比较短，占用的“时间片”也就比较短;第二是以“照看”操作来划分“时间片”，每个任务的“照看”都是一个完整的过程，不存在被打断的情况，故不需要为每个任务配置“堆栈”。各个任务之间的通信和同步可以通过变量和标志来完成，实现起来也比较简单。

　　③  由于本方法对处于“停止状态”的任务也要不停地“照看”，显然时间利用率不高，当系统任务数量较多或实时性要求很高时就难于胜任，故本方法只能在任务数量较少的中低档系统中采用；任务数量较多或实时性要求很高的系统，仍然应该采用基于实时操作系统的编程方法。

2  设计实例

　　现结合一个配料系统的设计实例来说明该类系统的设计方法。在配料系统中，配方中的每种成分都由一个独立的料斗来配置，并由一个独立的电子秤来计量。进行配料操作时，为了提高工作效率，各个料斗同时进行加料，达到配方中各自规定的重量后则停止加料。当所有料斗都完成加料过程后，便同时（或按预定顺序）出料，进行混合处理。各个料斗均出料结束后，间隔若干秒钟自动开始下一轮配料过程。
　　　　
　　在该系统中有如下任务需要运行：

　　◆ 键盘管理任务。采集操作者的按键动作并解释执行，用来设置配方数据和配料次数，控制系统运行。
　　◆ 显示任务。显示系统当前状态和相关数据。
　　◆ 数据采集任务。读取各个电子秤当前的数据。
　　◆ 配料控制任务。根据配方要求和电子秤当前的数据来决定料斗的工作状态。
　　◆ 控制信号输出任务。根据料斗状态，输出相应的各路控制信号。
　　◆ 时钟任务。为系统提供时间基准，使各个任务可以按规定节奏来运行。
　　◆ 睡眠任务。让系统在空闲时间里进入睡眠状态，以提高系统的抗干扰能力。

　　系统的软件结构如图3所示。左边是主程序，只安排了睡眠任务；右边是定时中断子程序，安排了其他所有任务。

图3  系统软件结构示意图

　　除配料控制任务外，其他任务运行一次的时间均远小于定时间隔，在每次定时中断中均可以完整地运行一次，故采用普通的编程方法将其运行过程写出来即可。配料控制任务无法在一次定时中断里完成，只能用不断“照看”的方法来完成。如果配料任务的运行时间（运行周期）为40 s，定时中断间隔时间为20 ms，则每次配料过程都是通过2000次“照看”来实现的。设配方有四种成分，则系统有四个料斗并行工作，“配料控制”任务的“照看”操作实际上由“照看料斗1”、“照看料斗2”、“照看料斗3”、“照看料斗4”组成（如图2所示），即每次定时中断都要依次“照看”四个料斗。四个料斗的“照看”操作方式基本相同。由于配方数据的差异，四个料斗的状态不一定每时每刻都同步。如果不考虑加料时的“落差”现象，就一个料斗而言，“照看”操作内容设计如表1所列。

　　配料过程由键盘操作来启动（使“允许配料”标志＝1），以后各次配料操作由前一次配料的状态5来启动，直到完成预定的配料次数。

　　从表1中可以看出，所有的“照看”操作都是由“判断－分支”结构组成，操作时间也很短，满足设计要求。

3  小结　　　　　　　

表1

　　在实时多任务系统中，为了保证系统的实时性，采用实时操作系统是首选设计方案;但在中低档系统中，为了简化设计和降低成本，利用本文介绍的方法，基于裸机编程同样可以满足要求。在中低档系统占有很大比例的产品市场中，本文介绍的编程方法对降低成本和提高产品竞争力显然是有帮助的。

摘要 详细说明利用并口模拟I2C总线协议，实现Myson MTV230芯片的在线编程（ISP）过程，以及利用PC机的串口通信实现Winbond W78E516B的在线编程（ISP）过程；阐述PC机的串口与并口在单片机开发中的应用。

关键词 并口编程 串口通信 在线编程 ISP MTV230 W78E516B

1  在线编程简介

　　51内核的单片机在线编程模式一般分为两大类。一类是使用JTAG协议的在线编程模式。这类模式一般由厂家提供在线编程工具，使用方便。使用这一类模式的单片机价格往往较高，使用的厂商也不多，故不在本文的讨论之列。另一类在线编程模式是使用一条特殊的指令，使单片机进入在线编程模式。在进入在线编程模式后，要自己控制对单片机的擦除写入逻辑。这一类模式又可细分为两种不同的模式：一是进入在线编程模式后，单片机只是提供一个接口，不再运行用户的程序，擦写逻辑全由上位机(PC)提供，如以下要讨论的MTV230就属于这种模式；另一类是进入在线编程模式以后，芯片会运行在某一区域的用户编写的程序，芯片的编程逻辑都由芯片中这段程序控制，上位机(PC)只是作为单片机的一个数据源，向单片机传输要擦写的数据，如以下要讨论的W78E516B。

2  利用并口对MTV230在线编程的实现

2.1  MTV230简介

　　MTV230是由Myson公司出品的一块集成OSD功能的基于51内核的芯片。它使用12MHz晶振时可以设置为倍频工作，同时还集成了4路A/D和 4路PWM DAC。其中最具竞争力的便是它使用了Flash OSD字库。与一般的OSD芯片不同，它的字库不是掩膜在芯片中，用户可以自己定制。该款芯片可以满足视频应用中的控制需求，因而被广泛应用于视频类产品中。

2.2  MTV230在线编程模式的进入

　　要使MTV230具有在线编程的功能，可以添加一段程序在主应用程序中。该程序用来响应特定的单片机状态，如某一特定引脚的电平变化，或是串口接收到特定的字符以确定是否要进入在线编程模式。在执行以下程序后，MTV230可以进入在线编程模式[1]：

　　①  清看门狗，以防止在编程期间单片机被复位；
　　②  单片机的在线编程模式是在空闲状态(idle)下进行的，所以要关闭所有中断，防止单片机被唤醒；
　　③  由于MTV230在线编程时是作为I2C的从设备，因而要配置单片机的I2C从地址；
　　④  向ISPEN写入0x93，使能在线编程功能；
　　⑤  进入51的空闲模式，在线编程开始。

　　具体程序如下：

　　WDT=0; //1
　　IE=0; //2
　　ISPSLV=0x7C; //3
　　ISPEN=0x93; //4
　　PCON=0x01; //5

　　以上程序中1~5与上述说明对应。以上将I2C地址设置为0x7C。值得注意的是，设置I2C从地址时，最低两位无效[1]。执行完以上程序，单片机已经变为一个I2C从设备，将I2C中SCL与芯片的15脚相连，SDA与芯片的16脚相连，就可以用I2C协议，按一定的命令格式对芯片进行在线编程。命令格式详见参考文献[1]，在此不再赘述。

2.3  PC机I2C接口的实现

　　对MTV230进行在线编程，就要实现I2C通信协议。作为对MTV230进行编程的上位机PC来说，实现I2C有三种方法：

　　①  使用串口与单片机通信，再由单片机模拟I2C协议，成本高，I2C速度视使用的单片机而定；
　　②  对计算机的并口编程，模拟I2C协议，成本低，I2C速度一般；
　　③  使用USB接口实现I2C协议，成本高，I2C速度快市场上可以买到。

　　由于MTV230进行编程时，I2C时钟速度最高为140kHz，速度要求不高，同时考虑到成本，决定使用方案②。

2.4  并口I2C硬件的实现

　　由于并口的每个引脚都是单向的，只能单向输出或者单向输入；而I2C又是一个双向协议，SDA与SCL都要求既能输入又能输出(有时要获取SCL当前状态)，所以，SDA与SCL要分别各由一个输出引脚与一个输入引脚构成。为了增加并口的驱动能力与可靠性，设计电路如图1所示。其中并口的2、12引脚构成SDA脚，并口的3、10引脚构成SCL脚。

图1  并口I²C电路

2.5  并口I2C软件的实现

　　在Win98中对并口的编程非常简单，通过在VC中内嵌汇编，使用IN与OUT指令访问与并口相对应的端口，设置相对应端口的值中的位就可以控制相应并口引脚的高低电平值。

　　例如：要将计算机并口1的第2引脚先置高再置低，汇编语言可以这样写：

　　MOV DX ， 0x378 ;设置端口地址
　　MOV AL ， 1 ;将待写入的位0的值写入AL中
　　OUT DX ， AL ;将值送到相应端口
　　MOV AL ， 0
　　OUT DX ， AL

　　但在Win2000/XP中，由于系统加强了对硬件设备的保护，假如在程序中直接用IN与OUT指令访问并口，则会引发系统的非法操作；而并口访问又不像串口，直接可以使用Windows API函数，因而就必须使用驱动程序。可以到www.sstnet.com网站上去下载DriverLINX Port I/O Driver并口驱动程序。该程序可以免费复制与分发。有了这个驱动程序，在Win2000/XP下编写并口程序就十分方便。安装该驱动程序后，在程序中包含相应的dlportio.h与dlportio.lib后就可以用DlPortReadPortUchar(IN ULONG Port)来读取端口的值(相当于汇编中的IN指令)，用DlPortWritePortUchar(IN ULONG Port，IN UCHAR Value)来向一个端口写一个特定的值(相当于汇编中的OUT指令)。利用改变端口值中的一个位的值，可以使相应并口引脚输出高低电平，从而可以用其来模拟I2C协议，实现并口与单片机间的I2C通信。关于I2C协议，网上有很多资料，在此不再赘述。

2.6  程序说明

　　如前文所述，MTV230在进入在线编程模式后，就相当于一个I2C从设备，编程逻辑全都由在PC上运行的程序来实现。该程序采用VC6.0编写。编程程序的主界面如图2所示，主要模块如表1所列。由于用并口模拟I2C对单片机编程，会使该线程暂时处在阻塞状态，假如在主线程(UI)中实现该过程，则在对芯片编程时，程序的主界面就无法响应用户退出命令，所以采用了多线程程序结构，在一个工作线程实现该过程，使用户可以随时退出编程过程。

图2  编程程序主界面

　　表1所列的头三个类采用了层次设计结构：上层类调用下层类，下层类为上层类提供接口，这样设计保证了代码的最大可重用性。举例来说，假如有另一芯片同样是使用I2C接口进行在线编程，则只要重写MTVISP这个芯片的在线编程协议类就可以了；如果使用前面所述的并口实现方案1或3，只要重写最底层的 Parallel类便可。

表1  程序主要模块

　　程序工作线程的大致流程如图3所示。

图3  工作线程的流程

　　程序的特色：

　　①  可以自己设置I2C速度的高低，模拟I2C的并口地址，以及使用并口的引脚。
　　②  可以选择简单校验和完全校验，即对编程后的芯片是进行内部校验寄存器值的简单校验，还是将芯片中的内容全部读出与编程文件进行比较的完全校验。
　　③  可以对芯片内的程序区、OSD区进行编程，还可以读出这两区的数据(只有对可以设定进入在线编 程模式的程序才可以)。
　　④  进行烧写的文件支持二进制文件格式(*.bin)与Intel的Hex文件格式(*.hex)。

3  利用串口对W78E516B在线编程的实现

3.1  W78E516B简介

　　W78E516B是由Winbound公司出品的基于52内核的高性能芯片，外部晶振可以达到40MHz，内部具有64KB的程序区与4KB的引导程序区，以及256B的RAM区和256B的AUX-RAM区。AUX-RAM区相当于外部存储区，进行寄存器设置后，用MOVX指令进行访问。在Keil编译器中，进行相应的设置便可使用pdata类型变量访问。

3.2  W78E516B在线编程模式的进入

　　 W78E516B在线编程模式的进入可以分为两种模式：一种为软件模式，另一种为硬件模式。当芯片进入在线编程模式后，芯片会从现在的64KB程序区跳转到4KB的引导区的0x00地址处去执行程序。如前文所述，该类型芯片的在线编程逻辑都是由在这4KB引导区中的程序决定的，而上位机(PC)只是为在线编程提供一个数据源。

　　(1)  软件进入模式

　　①  向CHPERN寄存器依此写入0x87，0x59开启CHPCON寄存器的写模式。
　　②  关闭中断。
　　③  向CHPCON写入0x03表示进行程序区编程。
　　④  向CHPCRN写入0x00关闭CHPCON寄存器写模式。
　　⑤  设置好定时器为延时12μs引发中断。
　　⑥  将单片机转入空闲模式，开启中断。

　　例如：将以下程序嵌入主循环中，当串口收到字符“A”时便进入在线编程模式：

　　if(B_Temp==‘A’{//B_Temp中存放从串口接收到的数
　　　　TR0=0; //停止定时器
　　　　TH0=TL0=256-250; //设置定时器定时值
　　　　CHPENR = 0x87; //开启CHPCON写模式
　　　　CHPENR = 0x59;
　　　　CHPCON|=0x03; //开启编程功能
　　　　CHPENR=0x00; //关闭CHPCON写模式
　　　　TR0=1; //开启定时器
　　　　PCON=0x01; //转入空闲模式
　　}

　　(2)  硬件进入模式

　　如表2所列，将相应引脚设置为相应电平，在进行复位以后也可进入在线编程模式。值的注意的是，在芯片正常工作时应避免误入在线编程模式，否则后果不堪设想。表2中L代表低电平，X代表任意电平。

表2  进入在线编程的硬件设置

3.3  W78E516B在线编程的实现

(1)  单片机引导区程序

　　W78E516B在线编程逻辑主要在这部分程序中实现。在参考文献[2]中的最后有一个示例程序，它是从外部的SRAM中读取数据对64KB程序区进行编程。将其改写一下，变为从串口读入数据。对程序区进行更新，大致流程与示例程序相同，代码也大致相同。有兴趣的朋友可以自行阅读文献[2]中的程序源文件，在此只列出关键的更改处：

　　;使用24MHz晶振
　　;使用WAVE编译程序
　　;其中R3存有待写入数据字节数-1的高16位
　　;其中R4存有待写入数据字节数-1的低16位
　　　　JMP PROG_D_64K
　　PADJUEST:
　　　　INC R2 ;将低位地址增加1
　　　　CJNE R2，#00H，PROG_D_64K
　　　　INC R1 ;低位进位时将高位增加1
　　　　MOV SFRAH，R1 ;改变高位地址
　　PROG_D_64K:
　　　　MOV SFRAL，R2 ;将低位地址放入
　　　　JNB RI，$ ;从串口接收一个待写入的字节
　　　　MOV A，SBUF
　　　　CLR RI
　　　　MOV SFRFD，A ;将待写入的值放入
　　　　MOV TCON，#10H ;开启定时器
　　　　MOV PCON，#01H ;CPU进入IDLE状态(进行编程)
　　　　CLR C ; 比较R3、R4，看是否写入完成
　　　　MOV A，R4
　　　　SUBB A，R2
　　　　JNZ PADJUEST
　　　　CLR C
　　　　MOV A，R3
　　　　SUBB A，R1
　　　　JNZ PADJUEST

(2)  PC机程序

　　PC机程序为单片机提供一个数据源。该数据是通过PC机的串口进行数据传输的。程序由VC6.0编写，串口通信使用的是VC自带的串口控件 MSCOMM。由于MSCOMM的接收数据是以消息形式，同时在该程序中接收的数据量很小，而发送数据为阻塞模式，所以新开一个工作线程用于发送数据，而接收数据与主线程合并。程序整体采用状态机模式。单片机进行擦除、编程、校验等各个状态时，都通过串口向PC机发送状态字，PC机通过接收状态字来决定单片机现在的工作状态，并决定要向单片机提供的数据。同时主线程中有一定时器，假如在特定时间内单片机无应答，或应答有误，则报错，停止单片机的编程过程。值得注意的是，由于使用了MSCOMM控件，在未装VC6.0的机器上运行该程序要将源文件SYSTEM目录中的三个文件拷贝到system32系统目录下。程序主界面如图4所示。PC机与单片机通信的工作流程如图5所示。

图4  程序主界面

图5  PC机与单片机通信的工作流程

　　程序特色：

　　①  可以设定使用的串口与通信的波特率。(与其相应的4KB引导区中的程序也要相应修改)。
　　②  可以设定使单片机进入在线编程模式的字符命令。
　　③  进行烧写的文件支持二进制文件格式(*.bin)与Intel的Hex文件格式(*.hex)。

4  结论

　　使用并口模拟I2C程序可以方便地对板上的MTV230芯片进行在线编程，使用串口为W78E516B提供数据源也可方便地对其进行编程，两者均经过实践检验，程序完全达到预期目的。使用芯片的在线编程技术，方便了芯片程序的更新，降低了产品的维护成本。