關鍵詞：嵌入式系統 嵌入式操作系統 Palm OS Windows CE Linux
1 嵌入式系統與嵌入式操作系統
1.1 嵌入式系統
嵌入式系統是以嵌入式計算機為技術核心，面向用戶、面向產品、面向應用，軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性能有嚴格要求的專用計算機系統。
嵌入式系統應具有的特點是：高可靠性；在惡劣的環境或突然斷電的情況下，系統仍然能夠正常工作；許多嵌入式應用要求實時性，這就要求嵌入式操作系統具有實時處理能力；嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是具體產品同步進行；嵌入式系統中的軟件代碼要求高質量、高可靠性，一般都固化在只讀存儲器中或閃存中，也就是說軟件要求固態化存儲，而不是存儲在磁盤等載體中。
1.2 嵌入式操作系統
嵌入式操作系統EOS （Embedded Operating System）是一種用途廣泛的系統軟件，過去它主要應用于工業控制和國防系統領域。EOS負責嵌入系統的全部軟、硬件資源的分配、調度作，控制、協調并發活動；它必須體現其所在系統的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達到系統所要求的功能。目前，已推出一些應用比較成功的EOS產品系列。隨著 Internet技術的發展、信息家電的普及應用及EOS的微型化和專業化，EOS開始從單一的弱功能向高專業化的強功能方向發展。嵌入式操作系統在系統實時高效性、硬件的相關依賴性、軟件固化以及應用的專用性等方面具有較為突出的特點。EOS是相對于一般操作系統而方的，它除具備了一般操作系統最基本的功能，如任務調度、同步機制、中斷處理、文件處理等外，還有以下特點：
①可裝卸性。開放性、可伸縮性的體系結構。
②強實時性。EOS實時性一般較強，可用于各種設備控制當中。
③統一的接口。提供各種設備驅動接口。
④操作方便、簡單、提供友好的圖形GUI，圖形界面，追求易學易用。
⑤提供強大的網絡功能，支持TCP/IP協議及其它協議，提供TCP/UDP/IP/PPP協議支持及統一的MAC訪問層接口，為各種移動計算設備預留接口。
⑥強穩定性，弱交互性。嵌入式系統一旦開始運行就不需要用戶過多的干預，這就要負責系統管理的EOS具有較強的穩定性。嵌入式操作系統的用戶接口一般不提供操作命令，它通過系統的調用命令向用戶程序提供服務。
⑦固化代碼。在嵌入式系統中，嵌入式操作系統和應用軟件被固化在嵌入式系統計算機的ROM中。輔助存儲器在嵌入式系統中很少使用，因此，嵌入式操作系統的文件管理功能應該能夠很容易地拆卸，而用各種內存文件系統。
⑧更好的硬件適應性，也就是良好的移植性。
國際上用于信息電器的嵌入式操作系統有40種左右。現在，市場上非常流行的EOS產品，包括3Com公司下屬子公司的Palm OS，全球占有份額達50%，Microsoft公司的Windows CE不過29%。在美國市場，Palm OS更以80%的占有率遠超Windows CE。開放源代碼的Linux很適于做信息家電的開發。比如：中科紅旗軟件技術有限公司開發的紅旗嵌入式Linux和美商網虎公司開發的基于Xlinux 的嵌入式操作系統“夸克”。“夸克”是目前全世界最小的Linux，它有兩具很突出的特點，就是體積小和使用GCS編碼。
2 三種常用的嵌入式操作系統
2.1 Palm OS
Palm是3Com公司的產品，其操作系統為Palm OS。Palm OS是一種32位的嵌入式操作系統。Palm提供了串行通信接口和紅外線傳輸接口，利用它可以方便地與其它外部設備通信、傳輸數據；擁有開放的OS應用程序接口，開發商可根據需要自行開發所需的應用程序。Palm OS是一套具有術強開放性的系統，現在有大約數千種專用為Palm OS編寫的應用程序，從程序內容上看，小到個人管理、游戲，大到行業解決方案，Palm OS無所不包。在豐富的軟件支持下，基于Palm OS的掌上電腦功能得以不斷擴展。
Palm OS是一套專門為掌上電腦開發的OS。在編寫程序時，Palm OS充分考慮了掌上電腦內存相對較小的情況，因此它只占有非常小的內存。由于基于Palm OS編寫的應用程序占用的空間也非常小（通常只有幾十KB），所以，基于Palm OS的掌上電腦（雖然只有幾MB的RAM）可以運行眾多應用程序。
由于Palm產品的最大特點是使用簡便、機體輕巧，因此決定了Palm OS應具有以下特點。
①操作系統的節能功能。由上掌上電腦要求使用電源盡可能小，因此在Palm OS的應用程序中，如果沒有事件運行，則系統設備進入半休眠（doze）的狀態；如果應用程序停止活動一段時間，則系統自動進入休眠（sleep）狀態。
② 合理的內存管理。Palm的存儲器全部是可讀寫的快速RAM，動態RAM（Dynamic RAM）類似于PC機上的RAM，它為全局變量和其它不需永久保存的數據提供臨時的存儲空間；存儲RAM（Storage RAM）類似于PC機上的硬盤，可以永久保存應用程序和數據。
③Palm OS的數據是以數據庫（database）的格式來存儲的。數據庫是由一組記錄（records）和一些數據庫頭信息組成的。為保證程序處理速度和存儲器空間，在處理數據的時候，Palm OS不是把數據從存儲堆（Storage Heap）拷貝到動態堆（Dynamic Heap）后再進行處理，而是在存儲堆中直接處理。為避免錯誤地調用存儲器地址，Palm OS規定，這一切都必須調用其內存管理器里的API來實現。
Palm OS與同步軟件（HotSync）結合可以使掌上電腦與PC機上的信息實現同步，把臺式同的功能擴展到了掌上電腦。Palm應用范圍相當廣泛，如：聯絡及工作表管理、電子郵件及互聯網通信、銷售人員及組別自動化等等。Palm外圍硬件也十分豐富，有數碼相機、GPS接收器、調制解調器、GSM無線電話、數碼音頻播放設備、便攜鍵盤、語音記錄器、條碼掃描、無線尋呼接收器、探測儀。其中Palm與GPS結合的應用，不但可以作導航定位，還可以結合GPS作氣候的監測、地名調查等。
2.2 Windows CE
Windows CE是微軟開發的一個開放的、可升級的32位嵌入式操作系統，是基于掌上型電腦類的電子設備操作。它是精簡的Windows 95。Windows CE的圖形用戶界面相當出色。其中CE中的C代表袖珍（Compact）、消費（Consumer）、通信能力（Connectivity）和伴侶（Companion）；E代表電子產品（Electronics）。與Windows 95/98、Windows NT不同的是，Windows CE是所有源代碼全部由微軟自行開發的嵌入式新型操作系統，其操作界面雖來源于Windows 95/98，但Windows CE是基于Win32 API重新開發的、新型的信息設備平臺。Windows CE具有模塊化、結構化和基于Win32應用程序接口以及與處理器無關等特點。Windows CE不僅繼承了傳統的Windows圖形界面，并且在Windows CE平臺上可以使用Windows 95/98上的編程工具（如Visual Basic、Visual C++等）、使用同樣的函數、使用同樣的界面網格，使絕大多數的應用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺上繼續使用。
Windows CE的設計目標是：模塊化及可伸縮性、實時性能好，通信能力強大，支持多種CPU。它的設計可以滿足多種設備的需要，這些設備包括了工業控制器、通信集線器以及銷售終端之類的企業設備，還有像照相機、電話和家用娛樂器材之類的消費產品。一個典型的基于Windows CE的嵌入系統通常為某個特定用途而設計，并在不聯機的情況下工作。它要求所使用的操作系統體積較小，內建有對中斷的響應功能。
Windows CE的特點有：
①具有靈活的電源管理功能，包括瞬眠/喚醒模式。
②使用了對象存儲（object store）技術，包括文件系統、注冊表及數據庫。它還具有很多高性能、高效率的操作系統特 性，包括按需換頁、共享存儲、交叉處理同步、支持大容量堆（heap）等。
③擁有良好的通信能力。廣泛支持各種通信硬件，亦支持直接的局域連接以及撥號連接，并提供與PC、內部網以及Internet的連接，還提供與Windows 9x/NT的最佳集成和通信。
④支持嵌套中斷。允許更高優先級別的中斷首先得到響應，而不是等待低級別的ISR完成。這使得該操作系統具有嵌入式操作系統所要求的實時性。
⑤更好的線程響應能力。對高級別IST（中斷服務線程）的響應時間上限的要求更加嚴格，在線程響應能力方面的改進，幫助開發人員掌握線程轉換的具體時間，并通過增強的監控能力和對硬件的控制能力幫助他們創建新的嵌入式應用程序。
⑥256個優先級別。可以使開發人員在控制嵌入式系統的時序安排方面有更大的靈活性。
⑦Windows CE的API是Win32 API的一個子集，支持近1500個Win32 API。有了這些API，足可以編寫任何復雜的應用程序。當然，在Windows CE系統中，所提供的API也可以隨具體應用的需求而定。
在掌上型電腦中，Windows CE包含如下一些重要組件：Pocket Outlook及其組件、語音錄音機、移動頻道、遠程撥號訪問、世界時鐘、計算器、多種輸入法、GBK字符集、中文TTF字庫、英漢雙向詞典、袖珍瀏覽器、電子郵件、Pocket Office、系統設置、Windows CE Services軟件。
2.3 Linux
Linux是一個類似于Unix的操作系統。它起源于芬蘭一個名為Linus Torvalds的業余愛好，但是現在已經是最為流行的一款開放源代碼的操作系統。Linux從1991年問世到現在，短短10年的時間內已發展成為一個功能強大、設計完善的操作系統，伴隨網絡技術進步而發展起來的Linux OS已成為Microsoft公司的DOS和Windows 95/98的強勁對手。Linux系統不僅能夠運行于PC平臺，還在嵌入式系統方面大放光芒，在各種嵌入式Linux OS迅速發展的狀況下，Linux OS逐漸形成了可與Windows CE等EOS進行抗衡的局面。目前正在開發的嵌入式系統中，49%的項目選擇Linux作為嵌入式操作系統。Linux現已成為嵌入式操作的理想選擇。
中科紅旗軟件技術有限公司開發的紅旗嵌入式Linux正在成為許多嵌入式設備廠商的首選。在不到一年的時間內，紅旗公司先后推出了PDA、機頂盒、瘦客戶機、交換機用的嵌入式Linux系統，并且投入了實際應用。現以紅旗嵌入式Linux為例來講解嵌入式Linux OS的特點：
①精簡的內核，性能高、穩定，多任務。
②適用于不同的CPU，支持多種體系結構，如X86、ARM、MIPS、ALPHA、SPARC等。
③能夠提供完善的嵌入式GUI以及嵌入式X-Windows。
④提供嵌入式瀏覽器、郵件程序、MP3播放器、MPEG播放器、記事本等應用程序。
⑤提供完整的開發工具和SDK，同時提供PC上的開發版本。
⑥用戶可定制，可提供圖形化的定制和配置工具。
⑦常用嵌入式芯片的驅動集，支持大量的周邊硬件設備，驅動豐富。
⑧針對嵌入式的存儲方案，提供實時版本和完善的嵌入式解決方案。
⑨完善的中文支持，強大的技術支持，完整的文檔。
⑩開放源碼，豐富的軟件資源，廣泛的軟件開發者的支持，價格低廉，結構靈活，適用面廣。
3 三種嵌入式操作系統的比較
3.1 Linux OS與Windows Ce的比較
嵌入式Linux OS與Windows CE相比的優點：第一，Linux是開放源代碼的，不在存黑箱技術，遍布全球的眾多Linux愛好者都是Linux開發者的強大技術支持者；而 Windows CE是非開放性OS，使第三方很難實現產品定制。第二，Linux的源代碼隨處可得，注釋豐富，文檔齊全，易于解決各種問題。第三，Linux的內核小、效率高；而Windows CE在這方面是笨拙的，占用過多的RAM，應用程序龐大。第四，Linux是開放源代碼的OS，在價格上極具競爭力，適合中國國情。Windows CE的版權費用是廠家不得不考慮的因素。第五，Linux不僅支持x86芯片，還是一個跨平臺的系統。到目前為止，它可以支持20～30種CPU，很多 CPU（包括家電業的芯片）廠商都開始做Linux的平臺移植工作，而且移植的速度遠遠超過Java的開發環境。如果今天采用Linux環境開發產品，那么將來更換CPU時就不會遇到更換平臺的困擾。第六，Linux內核的結構在網絡方面是非常完整的，它提供了對包括十兆位、百兆位及千兆位的以太網絡，還有無線網絡、Token ring（令牌環）和光纖甚至衛星的支持。第七，Linux在內核結構的設計中考慮適應系統的可裁減性的要求，Windows CE在內核結構的設計中并未考慮適應系統的高度可裁減性的要求。
嵌入式Linux OS與Windows CE相比的弱點：第一，是開發難度較高，需要很高的技術實力；第二，是核心調試工具不全，調試不太方便，尚沒有很好的用戶圖形界面；第三，與某些商業OS 一樣，嵌入式Linux占用較大的內存，當然，人們可以去掉部分無用的功能來減小使用的內存，但是如果不仔細，將引起新的問題；第四，有些Linux的應用程序需要虛擬內存，而嵌入式系統中并沒有或不需要虛擬內存，所以并非所有的Linux應用程序都可以在嵌入式系統中運行。
3.2 Palm OS與Windows CE的比較
3Com公司的Palm OS是掌上電腦市場中較為優秀的嵌入式操作系統，是針對這一市場專門設計的系統。它有開放的操作系統應用程序接口（API），支持開發商根據需要自行開發所需的應用程序，具有十分豐富的應用程序。在掌上電腦市場上獨占其霸主地位已久。
從技術層面上講，Palm OS是一套專門為掌上電腦開發的操作系統，具有許多Windows CE無法比擬的優勢；Windows CE過于臃腫，不適合應用在廉價的掌上電腦中。
Palm OS是一套具有極強開放性的系統。開發者向用戶免費提供Palm OS的開發工具，允許用戶利用該工具在Palm OS基礎上方便地編寫、修改相關軟件。與之相比，Windows CE的開發工具就顯得復雜多了，這使得一般用戶很難掌握。這也Palm OS與Windows CE的另一個主要區別。
我們從常用EOS的大小、可開發定制、互操作性、通用性、實時性及應用領域幾個方面，通過表1來歸納如下：
表1
| Palm OS | Windows CE 3.0 | 嵌入Linu | |
| 大小 | 核心幾十KB，整個嵌入環境也不大 | 核心占500KB的ROM和250KB的RAM。整個Windows CE操作系統，包括硬件抽象層（HAL和Hardware Abstraction Layer）、Windosw CE Kernel、User、GDI、文件系統和數據庫，大約共1.5MB | 核心從幾十KB到500KB。整個嵌入式環境最小才100KB左右，并且以后還將越來越小 |
| 可開發定制 | 可以方便地開發定制 | 用戶開發定制不方便，受Microsoft公司限制較多 | 用戶可以方便地開發定制，可以自由卸裝用戶模塊，不受任何限制 |
| 互操作性 | 互操作性強 | 互操作性比較強，Windows C可通過OEM的許可協議使用于其它設備 | 互操作性很強 |
| 通用性 | 適用于多種CPU和多種硬件平臺 | 適用于多種CPU和多種硬件平臺 | 不僅適應于x86芯片，并且可以支持30多種CPU和多種硬件平臺，開發和使用都很容易 |
| 實用性 | 比較好 | 比較好 | 很好 |
| 適用的應用領域 | 應用領域較廣，特別適用于掌上電腦的開發 | 應用領域較廣。WindowsC是為新一代非傳統的PC設備而設計的，這些設備包括掌上電腦、手持電腦以及用于車載電腦等 | 由于Linu內核結構及功能等原因，嵌入式Linu 應用領域非常廣泛，特別適于進行信息家電的開發 |
結語
Palm OS、Windows CE、Linux這三種嵌入式操作系統各有不同的特點，不同的用途；但Linux比Palm OS和Windows CE更小、更穩定，而且Linux是開放的OS，在價格上極具競爭力。如今整個市場尚未成型，嵌入式操作系統也未形成統一的國際標準，而且Linux的一系列特征又為我們開發國產的嵌入式操作系統提供了方便，因此，我們有機會在這個未成熟的市場上占有一席之地。
5
本周最熱門”中出現，認為夠“牛”就投上一票吧！" AutoHide="false"> 摘要 在系統控制過程中，實時性是系統性能的一個重要測試指標。應用實時操作系統是保證實時性的一種普遍方法，但是一些資源相對缺乏的單片機是不適合用操作系統的。本文介紹在中低檔控制系統中，在不采用實時操作系統的情況下，如何對多個任務進行控制，以達到實時性要求的方法。
關鍵詞 嵌入式系統 單片機 實時操作系統
引言
在嵌入式控制系統的設計中，如何對被控制的多個任務進行有效協調，使其動作順序合理、響應速度快捷，往往是設計者所考慮的一個很重要的方面，也是衡量檢驗一個系統的綜合性能的重要指標。為了在多個任務的協調控制中滿足實時性的要求，設計者往往會考慮在系統中嵌入目前流行的某種實時操作系統。現在也有一些通過驗證的比較優秀的實時操作系統可供選擇，有的源代碼甚至是免費提供的，網上也有大量的移植成功的源代碼范例。基于實時操作系統編程可以大大縮短開發的周期，實時性也有足夠的保證。基于實時操作系統編程的代價之一是，增加了程序代碼的長度；代價之二是，需要較多的RAM空間，在不擴展片外存儲器的情況下，中低檔單片機是難以勝任的。另一方面，大部分中低檔應用系統通過合理的設計，采用基于裸機編程（沒有實時操作系統）的方法，也可以保證一定的實時性，從而達到實時控制的要求，這是本文所要介紹的內容。
1 系統設計原理
1.1 通過定時中斷間隔的設計來保證實時性
為了完成控制系統中多任務的實時響應要求，可以利用定時中斷作為系統的時鐘。每個中斷的間隔作為時鐘的最小基本單位，這個值要小于或等于被控制的各個任務中對時間要求最苛刻的任務的最大允許響應時間。定時間隔越短，響應越快捷，但系統CPU的負擔也越重（因為CPU休眠的時間也越來越少）。這是一對相互矛盾的事物，需要設計者謹慎的協調才能達到最完美的效果。例如在配料控制系統中，如果加料速度為20 kg/s，要求配料誤差為1 kg，則系統的實時性必須保證在50 ms之內。為了留有余地，可將定時中斷間隔設置為20 ms。
1.2 通過對所有任務的及時“照看”來管理多任務
可以根據各個任務對實時性要求的不同程度,將任務分為不同的類型。對實時性要求越是苛刻的任務，就需要得到系統越頻繁的“照看”。對于實時性要求不高的任務，系統對它的“照看”時間間隔可以長一些。例如，有兩個任務A和B，任務A每秒必須“照看”10次，任務B每秒必須“照看”2次，則控制流程如圖1所示。從圖1中可以看出，任務A每隔0.1 s“照看”1次，任務B每隔0.5 s“照看”1次。對實時性要求基本相同的若干任務，可依次“照看”,其程序流程如圖2所示。
圖1 處理實時性要求不同的任務 圖2 處理實時性要求基本相同的任務
將所有任務都放在定時監控循環中來“照看”，就可以使各個任務得到實時“照看”，問題的關鍵是系統如何“照看”各個任務。如果某任務運行一次所需要的時間遠小于定時間隔，則該任務可安排在系統“照看”它時完整地執行一次。在這種情況下，“照看”某任務和“運行”某任務是一回事。如果某任務的運行時間遠大于定時間隔，例如在配料系統中，一次配料任務需要數十秒鐘，而定時間隔只有20 ms，因此，在“照看”該任務時不可能等待它完成后再“照看”其他任務，否則系統就會崩潰。為此，系統對任何任務的“照看”時間必須遠小于定時間隔，只有這樣才能保證系統在一個定時間隔中完成對所有任務的“照看”。由此可以看出，在本方法中，任何任務都不能較長時間單獨占有CPU，而是在不斷地得到系統的 “照看”，通過“照看”來維持各個任務的正常運行。
1.3 將任務分解為若干狀態
對于執行時間大于定時間隔的任務，其執行過程都是由若干不同狀態構成的。在不同狀態下，需要系統進行不同方式的“照看”，為此，為這個任務設置一個狀態變量，以指示該任務當前的狀態。當系統 “照看”該任務時，首先讀取該任務的狀態變量，然后根據狀態變量的值來執行對應的“照看”操作。
為了使系統能夠及時從某個任務脫身，以便及時“照看”另外的任務，則任何“照看”操作都必須非常簡短（遠小于定時間隔）。如果某個任務的某種狀態需要系統較長時間的“照看”（如進行一段比較復雜的數據處理），則必須將這個狀態再分解為若干狀態，直到每個狀態需要的處理時間均比定時中斷間隔短得多。也可以設置若干標志，將這些耗時的處理過程放在后臺處理。
1.4 與實時操作系統的比較
① 本方法沒有優先級的概念，所有任務都一視同仁得到“照看”，不存在“任務調度”問題，從根本上簡化了系統軟件設計，也大大降低了對硬件資源的要求。
② 本方法與“時間片輪回”方法類似，但有兩點不同：第一是每個任務得到的“時間片”是不固定的，與該任務的當前狀態有關，當該任務處于停止狀態時，其“照看”操作所需要的時間就比較短，占用的“時間片”也就比較短;第二是以“照看”操作來劃分“時間片”，每個任務的“照看”都是一個完整的過程，不存在被打斷的情況，故不需要為每個任務配置“堆棧”。各個任務之間的通信和同步可以通過變量和標志來完成，實現起來也比較簡單。
③ 由于本方法對處于“停止狀態”的任務也要不停地“照看”，顯然時間利用率不高，當系統任務數量較多或實時性要求很高時就難于勝任，故本方法只能在任務數量較少的中低檔系統中采用；任務數量較多或實時性要求很高的系統，仍然應該采用基于實時操作系統的編程方法。
2 設計實例
現結合一個配料系統的設計實例來說明該類系統的設計方法。在配料系統中，配方中的每種成分都由一個獨立的料斗來配置，并由一個獨立的電子秤來計量。進行配料操作時，為了提高工作效率，各個料斗同時進行加料，達到配方中各自規定的重量后則停止加料。當所有料斗都完成加料過程后，便同時（或按預定順序）出料，進行混合處理。各個料斗均出料結束后，間隔若干秒鐘自動開始下一輪配料過程。
在該系統中有如下任務需要運行：
◆ 鍵盤管理任務。采集操作者的按鍵動作并解釋執行，用來設置配方數據和配料次數，控制系統運行。
◆ 顯示任務。顯示系統當前狀態和相關數據。
◆ 數據采集任務。讀取各個電子秤當前的數據。
◆ 配料控制任務。根據配方要求和電子秤當前的數據來決定料斗的工作狀態。
◆ 控制信號輸出任務。根據料斗狀態，輸出相應的各路控制信號。
◆ 時鐘任務。為系統提供時間基準，使各個任務可以按規定節奏來運行。
◆ 睡眠任務。讓系統在空閑時間里進入睡眠狀態，以提高系統的抗干擾能力。
系統的軟件結構如圖3所示。左邊是主程序，只安排了睡眠任務；右邊是定時中斷子程序，安排了其他所有任務。
圖3 系統軟件結構示意圖
除配料控制任務外，其他任務運行一次的時間均遠小于定時間隔，在每次定時中斷中均可以完整地運行一次，故采用普通的編程方法將其運行過程寫出來即可。配料控制任務無法在一次定時中斷里完成，只能用不斷“照看”的方法來完成。如果配料任務的運行時間（運行周期）為40 s，定時中斷間隔時間為20 ms，則每次配料過程都是通過2000次“照看”來實現的。設配方有四種成分，則系統有四個料斗并行工作，“配料控制”任務的“照看”操作實際上由“照看料斗1”、“照看料斗2”、“照看料斗3”、“照看料斗4”組成（如圖2所示），即每次定時中斷都要依次“照看”四個料斗。四個料斗的“照看”操作方式基本相同。由于配方數據的差異，四個料斗的狀態不一定每時每刻都同步。如果不考慮加料時的“落差”現象，就一個料斗而言，“照看”操作內容設計如表1所列。
配料過程由鍵盤操作來啟動（使“允許配料”標志＝1），以后各次配料操作由前一次配料的狀態5來啟動，直到完成預定的配料次數。
從表1中可以看出，所有的“照看”操作都是由“判斷－分支”結構組成，操作時間也很短，滿足設計要求。
3 小結
表1
在實時多任務系統中，為了保證系統的實時性，采用實時操作系統是首選設計方案;但在中低檔系統中，為了簡化設計和降低成本，利用本文介紹的方法，基于裸機編程同樣可以滿足要求。在中低檔系統占有很大比例的產品市場中，本文介紹的編程方法對降低成本和提高產品競爭力顯然是有幫助的。
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本周最熱門”中出現，認為夠“牛”就投上一票吧！" AutoHide="false"> 摘要 詳細說明利用并口模擬I2C總線協議，實現Myson MTV230芯片的在線編程（ISP）過程，以及利用PC機的串口通信實現Winbond W78E516B的在線編程（ISP）過程；闡述PC機的串口與并口在單片機開發中的應用。
關鍵詞 并口編程 串口通信 在線編程 ISP MTV230 W78E516B
1 在線編程簡介
51內核的單片機在線編程模式一般分為兩大類。一類是使用JTAG協議的在線編程模式。這類模式一般由廠家提供在線編程工具，使用方便。使用這一類模式的單片機價格往往較高，使用的廠商也不多，故不在本文的討論之列。另一類在線編程模式是使用一條特殊的指令，使單片機進入在線編程模式。在進入在線編程模式后，要自己控制對單片機的擦除寫入邏輯。這一類模式又可細分為兩種不同的模式：一是進入在線編程模式后，單片機只是提供一個接口，不再運行用戶的程序，擦寫邏輯全由上位機(PC)提供，如以下要討論的MTV230就屬于這種模式；另一類是進入在線編程模式以后，芯片會運行在某一區域的用戶編寫的程序，芯片的編程邏輯都由芯片中這段程序控制，上位機(PC)只是作為單片機的一個數據源，向單片機傳輸要擦寫的數據，如以下要討論的W78E516B。
2 利用并口對MTV230在線編程的實現
2.1 MTV230簡介
MTV230是由Myson公司出品的一塊集成OSD功能的基于51內核的芯片。它使用12MHz晶振時可以設置為倍頻工作，同時還集成了4路A/D和 4路PWM DAC。其中最具競爭力的便是它使用了Flash OSD字庫。與一般的OSD芯片不同，它的字庫不是掩膜在芯片中，用戶可以自己定制。該款芯片可以滿足視頻應用中的控制需求，因而被廣泛應用于視頻類產品中。
2.2 MTV230在線編程模式的進入
要使MTV230具有在線編程的功能，可以添加一段程序在主應用程序中。該程序用來響應特定的單片機狀態，如某一特定引腳的電平變化，或是串口接收到特定的字符以確定是否要進入在線編程模式。在執行以下程序后，MTV230可以進入在線編程模式[1]：
① 清看門狗，以防止在編程期間單片機被復位；
② 單片機的在線編程模式是在空閑狀態(idle)下進行的，所以要關閉所有中斷，防止單片機被喚醒；
③ 由于MTV230在線編程時是作為I2C的從設備，因而要配置單片機的I2C從地址；
④ 向ISPEN寫入0x93，使能在線編程功能；
⑤ 進入51的空閑模式，在線編程開始。
具體程序如下：
WDT=0; //1
IE=0; //2
ISPSLV=0x7C; //3
ISPEN=0x93; //4
PCON=0x01; //5
以上程序中1~5與上述說明對應。以上將I2C地址設置為0x7C。值得注意的是，設置I2C從地址時，最低兩位無效[1]。執行完以上程序，單片機已經變為一個I2C從設備，將I2C中SCL與芯片的15腳相連，SDA與芯片的16腳相連，就可以用I2C協議，按一定的命令格式對芯片進行在線編程。命令格式詳見參考文獻[1]，在此不再贅述。
2.3 PC機I2C接口的實現
對MTV230進行在線編程，就要實現I2C通信協議。作為對MTV230進行編程的上位機PC來說，實現I2C有三種方法：
① 使用串口與單片機通信，再由單片機模擬I2C協議，成本高，I2C速度視使用的單片機而定；
② 對計算機的并口編程，模擬I2C協議，成本低，I2C速度一般；
③ 使用USB接口實現I2C協議，成本高，I2C速度快市場上可以買到。
由于MTV230進行編程時，I2C時鐘速度最高為140kHz，速度要求不高，同時考慮到成本，決定使用方案②。
2.4 并口I2C硬件的實現
由于并口的每個引腳都是單向的，只能單向輸出或者單向輸入；而I2C又是一個雙向協議，SDA與SCL都要求既能輸入又能輸出(有時要獲取SCL當前狀態)，所以，SDA與SCL要分別各由一個輸出引腳與一個輸入引腳構成。為了增加并口的驅動能力與可靠性，設計電路如圖1所示。其中并口的2、12引腳構成SDA腳，并口的3、10引腳構成SCL腳。
圖1 并口I²C電路
2.5 并口I2C軟件的實現
在Win98中對并口的編程非常簡單，通過在VC中內嵌匯編，使用IN與OUT指令訪問與并口相對應的端口，設置相對應端口的值中的位就可以控制相應并口引腳的高低電平值。
例如：要將計算機并口1的第2引腳先置高再置低，匯編語言可以這樣寫：
MOV DX ， 0x378 ;設置端口地址
MOV AL ， 1 ;將待寫入的位0的值寫入AL中
OUT DX ， AL ;將值送到相應端口
MOV AL ， 0
OUT DX ， AL
但在Win2000/XP中，由于系統加強了對硬件設備的保護，假如在程序中直接用IN與OUT指令訪問并口，則會引發系統的非法操作；而并口訪問又不像串口，直接可以使用Windows API函數，因而就必須使用驅動程序。可以到www.sstnet.com網站上去下載DriverLINX Port I/O Driver并口驅動程序。該程序可以免費復制與分發。有了這個驅動程序，在Win2000/XP下編寫并口程序就十分方便。安裝該驅動程序后，在程序中包含相應的dlportio.h與dlportio.lib后就可以用DlPortReadPortUchar(IN ULONG Port)來讀取端口的值(相當于匯編中的IN指令)，用DlPortWritePortUchar(IN ULONG Port，IN UCHAR Value)來向一個端口寫一個特定的值(相當于匯編中的OUT指令)。利用改變端口值中的一個位的值，可以使相應并口引腳輸出高低電平，從而可以用其來模擬I2C協議，實現并口與單片機間的I2C通信。關于I2C協議，網上有很多資料，在此不再贅述。
2.6 程序說明
如前文所述，MTV230在進入在線編程模式后，就相當于一個I2C從設備，編程邏輯全都由在PC上運行的程序來實現。該程序采用VC6.0編寫。編程程序的主界面如圖2所示，主要模塊如表1所列。由于用并口模擬I2C對單片機編程，會使該線程暫時處在阻塞狀態，假如在主線程(UI)中實現該過程，則在對芯片編程時，程序的主界面就無法響應用戶退出命令，所以采用了多線程程序結構，在一個工作線程實現該過程，使用戶可以隨時退出編程過程。
圖2 編程程序主界面
表1所列的頭三個類采用了層次設計結構：上層類調用下層類，下層類為上層類提供接口，這樣設計保證了代碼的最大可重用性。舉例來說，假如有另一芯片同樣是使用I2C接口進行在線編程，則只要重寫MTVISP這個芯片的在線編程協議類就可以了；如果使用前面所述的并口實現方案1或3，只要重寫最底層的 Parallel類便可。
表1 程序主要模塊
程序工作線程的大致流程如圖3所示。
圖3 工作線程的流程
程序的特色：
① 可以自己設置I2C速度的高低，模擬I2C的并口地址，以及使用并口的引腳。
② 可以選擇簡單校驗和完全校驗，即對編程后的芯片是進行內部校驗寄存器值的簡單校驗，還是將芯片中的內容全部讀出與編程文件進行比較的完全校驗。
③ 可以對芯片內的程序區、OSD區進行編程，還可以讀出這兩區的數據(只有對可以設定進入在線編 程模式的程序才可以)。
④ 進行燒寫的文件支持二進制文件格式(*.bin)與Intel的Hex文件格式(*.hex)。
3 利用串口對W78E516B在線編程的實現
3.1 W78E516B簡介
W78E516B是由Winbound公司出品的基于52內核的高性能芯片，外部晶振可以達到40MHz，內部具有64KB的程序區與4KB的引導程序區，以及256B的RAM區和256B的AUX-RAM區。AUX-RAM區相當于外部存儲區，進行寄存器設置后，用MOVX指令進行訪問。在Keil編譯器中，進行相應的設置便可使用pdata類型變量訪問。
3.2 W78E516B在線編程模式的進入
W78E516B在線編程模式的進入可以分為兩種模式：一種為軟件模式，另一種為硬件模式。當芯片進入在線編程模式后，芯片會從現在的64KB程序區跳轉到4KB的引導區的0x00地址處去執行程序。如前文所述，該類型芯片的在線編程邏輯都是由在這4KB引導區中的程序決定的，而上位機(PC)只是為在線編程提供一個數據源。
(1) 軟件進入模式
① 向CHPERN寄存器依此寫入0x87，0x59開啟CHPCON寄存器的寫模式。
② 關閉中斷。
③ 向CHPCON寫入0x03表示進行程序區編程。
④ 向CHPCRN寫入0x00關閉CHPCON寄存器寫模式。
⑤ 設置好定時器為延時12μs引發中斷。
⑥ 將單片機轉入空閑模式，開啟中斷。
例如：將以下程序嵌入主循環中，當串口收到字符“A”時便進入在線編程模式：
if(B_Temp==‘A’{//B_Temp中存放從串口接收到的數
TR0=0; //停止定時器
TH0=TL0=256-250; //設置定時器定時值
CHPENR = 0x87; //開啟CHPCON寫模式
CHPENR = 0x59;
CHPCON|=0x03; //開啟編程功能
CHPENR=0x00; //關閉CHPCON寫模式
TR0=1; //開啟定時器
PCON=0x01; //轉入空閑模式
}
(2) 硬件進入模式
如表2所列，將相應引腳設置為相應電平，在進行復位以后也可進入在線編程模式。值的注意的是，在芯片正常工作時應避免誤入在線編程模式，否則后果不堪設想。表2中L代表低電平，X代表任意電平。
表2 進入在線編程的硬件設置
3.3 W78E516B在線編程的實現
(1) 單片機引導區程序
W78E516B在線編程邏輯主要在這部分程序中實現。在參考文獻[2]中的最后有一個示例程序，它是從外部的SRAM中讀取數據對64KB程序區進行編程。將其改寫一下，變為從串口讀入數據。對程序區進行更新，大致流程與示例程序相同，代碼也大致相同。有興趣的朋友可以自行閱讀文獻[2]中的程序源文件，在此只列出關鍵的更改處：
;使用24MHz晶振
;使用WAVE編譯程序
;其中R3存有待寫入數據字節數-1的高16位
;其中R4存有待寫入數據字節數-1的低16位
JMP PROG_D_64K
PADJUEST:
INC R2 ;將低位地址增加1
CJNE R2，#00H，PROG_D_64K
INC R1 ;低位進位時將高位增加1
MOV SFRAH，R1 ;改變高位地址
PROG_D_64K:
MOV SFRAL，R2 ;將低位地址放入
JNB RI，$ ;從串口接收一個待寫入的字節
MOV A，SBUF
CLR RI
MOV SFRFD，A ;將待寫入的值放入
MOV TCON，#10H ;開啟定時器
MOV PCON，#01H ;CPU進入IDLE狀態(進行編程)
CLR C ; 比較R3、R4，看是否寫入完成
MOV A，R4
SUBB A，R2
JNZ PADJUEST
CLR C
MOV A，R3
SUBB A，R1
JNZ PADJUEST
(2) PC機程序
PC機程序為單片機提供一個數據源。該數據是通過PC機的串口進行數據傳輸的。程序由VC6.0編寫，串口通信使用的是VC自帶的串口控件 MSCOMM。由于MSCOMM的接收數據是以消息形式，同時在該程序中接收的數據量很小，而發送數據為阻塞模式，所以新開一個工作線程用于發送數據，而接收數據與主線程合并。程序整體采用狀態機模式。單片機進行擦除、編程、校驗等各個狀態時，都通過串口向PC機發送狀態字，PC機通過接收狀態字來決定單片機現在的工作狀態，并決定要向單片機提供的數據。同時主線程中有一定時器，假如在特定時間內單片機無應答，或應答有誤，則報錯，停止單片機的編程過程。值得注意的是，由于使用了MSCOMM控件，在未裝VC6.0的機器上運行該程序要將源文件SYSTEM目錄中的三個文件拷貝到system32系統目錄下。程序主界面如圖4所示。PC機與單片機通信的工作流程如圖5所示。
圖4 程序主界面
圖5 PC機與單片機通信的工作流程
程序特色：
① 可以設定使用的串口與通信的波特率。(與其相應的4KB引導區中的程序也要相應修改)。
② 可以設定使單片機進入在線編程模式的字符命令。
③ 進行燒寫的文件支持二進制文件格式(*.bin)與Intel的Hex文件格式(*.hex)。
4 結論
使用并口模擬I2C程序可以方便地對板上的MTV230芯片進行在線編程，使用串口為W78E516B提供數據源也可方便地對其進行編程，兩者均經過實踐檢驗，程序完全達到預期目的。使用芯片的在線編程技術，方便了芯片程序的更新，降低了產品的維護成本。
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本周最熱門”中出現，認為夠“牛”就投上一票吧！" AutoHide="false"> 電腦小彩燈
作者：溫正偉 原載:電子報
如果你是電腦和電子的雙料發燒友，你一定想在你的電子制作中用你的電腦去完成一些控制動作，以實現自動化控制。這里所介紹的"電腦小彩燈"的小制作，不但能為你的電腦增色不少，還能給一些初學電腦編程的電子愛好者不少的啟發。
大家都知道電腦的I/O接口中有一個或以上的并行打印機（ＬＰＴ）接口，通常它用于連接并行輸入／輸出設備，像打印機、掃描儀等等。我們可以通過對它的編程，實現電子制作的自動控制。而"電腦小彩燈"只用到輸出部份，所需零件很少，制作簡單，無需調整。在３８６／４８６時代這個接口大都是通過一塊適配器與主板連接的，現在的主板都集成了一個或以上的并行打印機接口。在一臺計算機上可以有三個并行打印機接口，基地址分別為３ＢＣＨ，３７８Ｈ，２７８Ｈ，由于每臺機所配置的情況不同，可用windows3.1或dos6.22的MSD.EXE程序查看，以確定各接口所用的基地址。通常現在的主板上集成的接口基地址為３７８Ｈ，確定了基地址后我們可用Ｃ語言中的outportb函數發送一個８位二進制到基地址３７８Ｈ，這樣在接口上的２－９輸出端得到相應的輸出。如發送數字３（二進制００００００１１），接口上的２和３輸出端為高電平，點亮發光二極管Ｄ１和Ｄ２。通過發送不同的數字，點亮不同的發光二極管，得到不同的彩燈花樣。在電路安裝完成后，可以用機箱面板上空閑的小擋板（如安裝光驅時拆下的）跟據發光二極管的大小打上８個孔，安裝好電路板，便算完成了。
(文章發表后筆者又寫了一個可在Windows下的程序，也可以用于此文的波形顯示，并開放源代碼下載，可以點擊這里下載 Port1.0
)  |
| 圖一:電路圖 |
程序如下：(本程序用TC2.0編譯通過,在486/4兆內存和586/32兆內存機器上dos7.0,windos3.x,windows95上運行通過,程序運行在windows3.x/windows95時,可同時運行其它應用程序)
/*----------------------------*/
/* 并行口輸出實驗程序 */
/* LED彩燈 (8只) */
/* WZW 2000.5 */
/*----------------------------*/
#include<dos.h>
#include<bios.h>
#include<process.h>
#define outabbress 0x378 /* 接口基地址按機器的配置選用
3BC,378,278 */
void LPTOut(unsigned char outdata,long outtime);
main()
{
unsigned char outdatas[74]= /* 彩燈樣式 */
{ /* 讀者可自行修改 */
24,36,66,129, /* 數字為０－２５５ */
129,66,36,24, /* 數字轉化為二進制時，數位
上為１時 */
0, /* 點亮相應的二極管，為
０時熄滅 */
1,2,4,8,16,32,64,128,
128,192,224,240,248,252,254,255,
255,254,252,248,240,224,192,128,
0,
1,2,4,8,16,32,64,128,
129,130,132,136,144,160,192,
193,194,196,200,208,224,
112,56,28,14,7,3,1,
0,
85,170,85,170,85,170,
255,
126,60,24,
0};
while(1)
{
int f;
for (f=0;f<73;f++)
{ /* 向地址發送數據
,4000為延遲時間值 */
LPTOut(outdatas[f],4000); /* 時間值根據計算機
的速度調整 */
printf("\n%d",outdatas[f]); /* 在屏幕上顯示所
發送的數據,可省去 */
}
}
}
void LPTOut(unsigned char outdata,long outtime)
{
long t;
outportb(outabbress,outdata); /* 調用outporb函數發送數
據 */
for (t=0;t < outtime;t++) /* 延遲 */
{
if (kbhit())
{
outportb(outabbress,0); /* 數據清零,如無此句數
據一直輸出 */
exit(1); /* 按任意鍵數據清零、退出 */
}
}
}
/* outabbress 為接口地址 outdata 為要輸出的8位二進
制數 */
/* outtime 為延遲時間值 */
讀者朋友可以用一些電子器件擴充這個小彩燈,讓它有更多的 花樣。當然也可把這個原理和程序用于自己的程序或電子小制作中。
