劉丹

（上海市貿(mào)易學(xué)校 計(jì)算機(jī)教研室，中國(guó) 上海200000）

在21世紀(jì)的今天，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，并被廣泛應(yīng)用到工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域之中，正在成為工業(yè)革命和工業(yè)改造的主導(dǎo)技術(shù)力量。這都是在產(chǎn)生和發(fā)展了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)之后，才成為現(xiàn)實(shí)的。一臺(tái)或幾臺(tái)計(jì)算機(jī)只有在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的統(tǒng)一組織和合理調(diào)度之下，才能組成一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制。而它又是在一般操作系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)為OS）基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，要設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)OS，應(yīng)首先掌握OS的一般原理，運(yùn)用設(shè)計(jì)OS的基本方法和技巧，結(jié)合實(shí)時(shí)OS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加以具體實(shí)現(xiàn)。

本文將在介紹OS有關(guān)概念的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)時(shí)OS進(jìn)行詳細(xì)分析，以使我們從實(shí)時(shí)OS出發(fā)，來(lái)解剖Z-80系統(tǒng)監(jiān)控程序，掌握Z(yǔ)-80微機(jī)工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)OS的設(shè)計(jì)方法和技巧，并進(jìn)一步展開(kāi)系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的討論。

1 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征

實(shí)時(shí)系統(tǒng)是能及時(shí)響應(yīng)外部發(fā)生的隨機(jī)事件，并以足夠快的速度完成對(duì)事件的處理的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。所謂外部事件是指與計(jì)算機(jī)相連接的設(shè)備（探測(cè)設(shè)備，控制對(duì)象，鍵盤(pán)等）提出的服務(wù)要求，如數(shù)據(jù)采集，情報(bào)檢索，控制器輸出等。

由此可見(jiàn)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

1.1 對(duì)外部事件響應(yīng)須在一定時(shí)間內(nèi)完成

例如，雇員上下班排隊(duì)打卡時(shí)，計(jì)算機(jī)須在幾秒鐘內(nèi)捕獲卡片上的數(shù)據(jù)，如果在下一張卡片插入時(shí)未獲取數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。同樣，要求的各種輸出也須在一定時(shí)間完成。這一時(shí)間總和叫系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，范圍一般從幾毫秒到幾秒，縮短響應(yīng)時(shí)間是設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1.2 必須滿足一定峰值負(fù)荷要求

一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的負(fù)荷可能很不均勻，但必須滿足一定峰值負(fù)荷要求。例如，實(shí)時(shí)雇員考勤系統(tǒng)，早晚上下班時(shí)，該系統(tǒng)頻繁工作，從打卡機(jī)捕獲和處理數(shù)據(jù)的能力須滿足雇員上下班記錄出勤情況要求。

1.3 與實(shí)時(shí)系統(tǒng)相關(guān)的另一重要問(wèn)題

由于輸入數(shù)據(jù)由系統(tǒng)本身捕獲，因此，該數(shù)據(jù)只有在系統(tǒng)中才有效，而且只能通過(guò)系統(tǒng)來(lái)訪問(wèn)。因此實(shí)時(shí)系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。

總之，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)要考慮：響應(yīng)時(shí)間、吞吐率、暫存時(shí)間、多任務(wù)計(jì)算、優(yōu)先級(jí)、運(yùn)行時(shí)間、任務(wù)同步與關(guān)鍵任務(wù)計(jì)算、可靠性參數(shù)等。

2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)在發(fā)展初期，是沒(méi)有OS的，計(jì)算機(jī)操作過(guò)程用人工來(lái)控制，程序員把編好的程序和數(shù)據(jù)，通過(guò)輸入介質(zhì)把程序一道道地輸入到計(jì)算機(jī)中，每輸入一道程序，便啟動(dòng)一次計(jì)算機(jī)運(yùn)行，并在程序員控制下，不斷干預(yù)計(jì)算機(jī)的執(zhí)行過(guò)程，直到程序完成。這種操作過(guò)程顯然不適于多道程序并行處理，自動(dòng)，連續(xù)工作，且要求及時(shí)對(duì)瞬態(tài)過(guò)程做出反應(yīng)的工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

OS的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了操作過(guò)程管理的自動(dòng)化，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的高效能和高速處理能力，使計(jì)算機(jī)的適應(yīng)性愈來(lái)愈強(qiáng)，應(yīng)用范圍愈來(lái)愈廣，其OS也隨之愈來(lái)愈復(fù)雜。目前OS按其處理功能已分成三大分支，即批處理OS；分時(shí)OS和實(shí)時(shí)OS。同一臺(tái)計(jì)算機(jī)，因配置的OS不同而具有不同的功能。因此，OS的出現(xiàn)，使我們?cè)谟?jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上獲得了一個(gè)功能更強(qiáng)，應(yīng)用范圍更廣的計(jì)算機(jī)。這在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛的時(shí)代尤其重要。

2.1 OS的分類(lèi)和定義

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的OS，因其資源的不同而有很大差異，人們根據(jù)OS的具體功能把他分為三類(lèi)。

2.1.1 批處理OS：是指提高計(jì)算機(jī)效率和處理能力，操作實(shí)用方便，減少人工干預(yù)的一種OS。但他在用戶(hù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析判斷乃至反復(fù)修改方案的過(guò)程是十分不便的，因此，人們又提出了分時(shí)OS。

2.1.2 分時(shí)OS：為了即充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的高速處理能力，依靠分時(shí)OS把計(jì)算機(jī)運(yùn)行處理的時(shí)間分割成為各個(gè)終端作業(yè)服務(wù)的獨(dú)立單元，計(jì)算機(jī)輪流為各個(gè)終端設(shè)備的作業(yè)服務(wù)，在計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理和情報(bào)收集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中主要是應(yīng)用了上述的分時(shí)OS。

在上述的分時(shí)OS中，僅要求計(jì)算機(jī)在允許的時(shí)間內(nèi)能及時(shí)響應(yīng)終端的請(qǐng)求便可。但在工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，要求必須對(duì)外來(lái)信息快速響應(yīng)和處理，否則，就會(huì)出現(xiàn)信息丟失的后果。于是，人們又發(fā)展了實(shí)時(shí)OS。

2.2 實(shí)時(shí)OS的基本構(gòu)成和主要特點(diǎn)

OS是一組系統(tǒng)資源的管理程序，依靠它來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)處理機(jī)的管理、存儲(chǔ)管理、設(shè)備管理、信息管理、中斷管理等五個(gè)功能。計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)OS同樣要具備這五個(gè)功能，現(xiàn)分述如下：

2.2.1 處理機(jī)管理：首先必須考慮如何來(lái)使用計(jì)算機(jī)，在工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)的控制對(duì)象不可能是單一的，例如一個(gè)車(chē)床控制系統(tǒng)中，要有兩套驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，要有鍵盤(pán)，顯示器等外設(shè)，對(duì)于其中每一個(gè)具體的控制對(duì)象都存在著何時(shí)和怎樣使用處理機(jī)的問(wèn)題，所以處理機(jī)管理要解決調(diào)度問(wèn)題。

2.2.2 存儲(chǔ)管理：OS中的存儲(chǔ)管理技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功能的不斷擴(kuò)大，而不斷提高，目前已由初期的簡(jiǎn)單的靜態(tài)發(fā)展成動(dòng)態(tài)分配，由實(shí)際存儲(chǔ)發(fā)展為虛擬存儲(chǔ)空間。其方法大致有靜態(tài)、動(dòng)態(tài)地址分配、動(dòng)態(tài)頁(yè)面內(nèi)存管理這三種。

2.2.3 設(shè)備管理：設(shè)備管理是OS中所具有的基本功能。實(shí)時(shí)系統(tǒng)要及時(shí)地接受和處理實(shí)時(shí)信息，并在規(guī)定時(shí)間里對(duì)實(shí)時(shí)工作的設(shè)備發(fā)出控制信息，而不出現(xiàn)信息丟失的現(xiàn)象，就必須依靠OS來(lái)保證計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)設(shè)備能在靈活的被控狀態(tài)下并行工作。這就要求實(shí)時(shí)OS具有：對(duì)外設(shè)實(shí)施監(jiān)督并記錄其工作狀態(tài)、對(duì)外設(shè)實(shí)行并行運(yùn)行的管理、對(duì)使用外設(shè)信息（包括啟動(dòng)，中斷，結(jié)束等）進(jìn)行輸入與輸出操作的功能。

2.2.4 信息管理：計(jì)算機(jī)要處理大量的信息，那些暫時(shí)還未采集傳送和處理操作的信息，就暫時(shí)存在便于檢索的儲(chǔ)存區(qū)域內(nèi)，以備即時(shí)之需。因此，文件系統(tǒng)是實(shí)時(shí)OS質(zhì)量的重要內(nèi)容。

2.2.5 中斷管理功能：是實(shí)時(shí)OS進(jìn)行實(shí)時(shí)管理的具體手段和方法，因此，微機(jī)的工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)是在中斷管理下進(jìn)行工作的。

中斷管理系統(tǒng)要求硬件應(yīng)設(shè)置中斷監(jiān)視和響應(yīng)裝置，軟件應(yīng)設(shè)置靈活的中斷處理程序。一般地實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的各種中斷可按其優(yōu)先級(jí)別由高到低分為機(jī)器中斷、程序中斷、時(shí)鐘中斷、外部設(shè)備中斷這四種。

通過(guò)以上說(shuō)明，計(jì)算機(jī)的工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)依靠實(shí)時(shí)OS的管理才能實(shí)現(xiàn)，雖然實(shí)時(shí)OS因計(jì)算機(jī)不同而不同，但任何計(jì)算機(jī)的工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)都不能缺少實(shí)時(shí)OS，而且，實(shí)時(shí)OS的功能愈強(qiáng)愈完善，該系統(tǒng)用戶(hù)使用起來(lái)愈方便，愈可靠。下面結(jié)合Z-80系列微機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控程序分析如何建立微機(jī)工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)OS，并在此基礎(chǔ)上，展開(kāi)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的討論。

3 Z-80監(jiān)控程序與實(shí)時(shí)OS

3.1 Z-80系統(tǒng)監(jiān)控程序

Z-80監(jiān)控程序雖然較低級(jí)，但它們是一種OS?？稍谙到y(tǒng)中用來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)通電或復(fù)位后進(jìn)行初始引導(dǎo)，以便系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)；用來(lái)鍵入接受或保存機(jī)器編碼的源程序；用來(lái)監(jiān)控執(zhí)行，調(diào)式或修改源程序，以及顯示相應(yīng)儲(chǔ)存單元或緩沖寄存器的內(nèi)容。Z-80監(jiān)控程序這些具體作用是通過(guò)：RAM區(qū)和使用子程序塊及表格、監(jiān)控程序的地址表、監(jiān)控程序總體結(jié)構(gòu)出發(fā)及復(fù)位、初始引導(dǎo)程序、更新顯示程序、鍵盤(pán)分析處理程序的管理程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的

Z-80系統(tǒng)監(jiān)控程序還具有處理保存用戶(hù)程序的功能，依靠它來(lái)把用戶(hù)程序轉(zhuǎn)儲(chǔ)于外部磁帶或固化到EPROM中，使用時(shí)，便可順序裝入內(nèi)存RAM進(jìn)行運(yùn)行。

3.2 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的系統(tǒng)管理程序與監(jiān)控程序

因?yàn)閆-80單板機(jī)的工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和Z-80單板機(jī)系統(tǒng)有很大的差別。在進(jìn)行系統(tǒng)管理程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何最大限度地開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的軟件，硬件資源，是設(shè)計(jì)工作中必須認(rèn)真考慮的一個(gè)重要問(wèn)題，現(xiàn)有資源利用好，系統(tǒng)程序的工作量可相應(yīng)減少，功能也可相應(yīng)提高。

4 結(jié)論

綜上所述，首先設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)一定要考慮響應(yīng)時(shí)間、吞吐率、暫存時(shí)間、多任務(wù)計(jì)算、優(yōu)先級(jí)、運(yùn)行時(shí)間、任務(wù)同步與關(guān)鍵任務(wù)計(jì)算、可靠性參數(shù)等特征。其次明確計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)OS也要具備OS的實(shí)現(xiàn)對(duì)處理機(jī)的管理，存儲(chǔ)管理，設(shè)備管理、信息管理，中斷管理這五個(gè)功能。最后討論了一下將Z-80微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用到工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中去，組成一個(gè)以Z-80微機(jī)為核心的工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

以上只是提出如何在深入了解實(shí)時(shí)多任務(wù)OS的基礎(chǔ)上如何實(shí)現(xiàn)微機(jī)工業(yè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的一些想法，具體實(shí)現(xiàn)，本篇不再敘述。

［1］Y.柏克.多微機(jī)處理口系統(tǒng)[M].西安交通大學(xué)出版社，1986.

［2］袁由光.實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的可靠性技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，1995.