淺析實時多任務操作系統的結構

劉丹

（上海市貿易學校 計算機教研室，中國 上海200000）

在21世紀的今天，物聯網技術發展迅速，并被廣泛應用到工業控制的各個領域之中，正在成為工業革命和工業改造的主導技術力量。這都是在產生和發展了實時操作系統之后，才成為現實的。一臺或幾臺計算機只有在實時操作系統的統一組織和合理調度之下，才能組成一個實時控制系統，才能實現對復雜的工業過程的實時控制。而它又是在一般操作系統（簡稱為OS）基礎上發展起來的，要設計實時OS，應首先掌握OS的一般原理，運用設計OS的基本方法和技巧，結合實時OS的結構特點加以具體實現。

本文將在介紹OS有關概念的基礎上，對實時OS進行詳細分析，以使我們從實時OS出發，來解剖Z-80系統監控程序，掌握Z-80微機工業實時控制系統的實時OS的設計方法和技巧，并進一步展開系統應用程序設計的討論。

1 實時系統的特征

實時系統是能及時響應外部發生的隨機事件，并以足夠快的速度完成對事件的處理的計算機應用系統。所謂外部事件是指與計算機相連接的設備（探測設備，控制對象，鍵盤等）提出的服務要求，如數據采集，情報檢索，控制器輸出等。

由此可見，實時系統具有如下特點：

1.1 對外部事件響應須在一定時間內完成

例如，雇員上下班排隊打卡時，計算機須在幾秒鐘內捕獲卡片上的數據，如果在下一張卡片插入時未獲取數據，該數據就會丟失。同樣，要求的各種輸出也須在一定時間完成。這一時間總和叫系統響應時間，范圍一般從幾毫秒到幾秒，縮短響應時間是設計實時系統的關鍵。

1.2 必須滿足一定峰值負荷要求

一個實時系統的負荷可能很不均勻，但必須滿足一定峰值負荷要求。例如，實時雇員考勤系統，早晚上下班時，該系統頻繁工作，從打卡機捕獲和處理數據的能力須滿足雇員上下班記錄出勤情況要求。

1.3 與實時系統相關的另一重要問題

由于輸入數據由系統本身捕獲，因此，該數據只有在系統中才有效，而且只能通過系統來訪問。因此實時系統的可靠性至關重要。

總之，設計實時系統要考慮：響應時間、吞吐率、暫存時間、多任務計算、優先級、運行時間、任務同步與關鍵任務計算、可靠性參數等。

2 實時操作系統

計算機在發展初期，是沒有OS的，計算機操作過程用人工來控制，程序員把編好的程序和數據，通過輸入介質把程序一道道地輸入到計算機中，每輸入一道程序，便啟動一次計算機運行，并在程序員控制下，不斷干預計算機的執行過程，直到程序完成。這種操作過程顯然不適于多道程序并行處理，自動，連續工作，且要求及時對瞬態過程做出反應的工業實時控制系統。

OS的出現，使計算機實現了操作過程管理的自動化，充分發揮了計算機的高效能和高速處理能力，使計算機的適應性愈來愈強，應用范圍愈來愈廣，其OS也隨之愈來愈復雜。目前OS按其處理功能已分成三大分支，即批處理OS；分時OS和實時OS。同一臺計算機，因配置的OS不同而具有不同的功能。因此，OS的出現，使我們在計算機硬件系統的基礎上獲得了一個功能更強，應用范圍更廣的計算機。這在物聯網技術發展迅猛的時代尤其重要。

2.1 OS的分類和定義

計算機系統的OS，因其資源的不同而有很大差異，人們根據OS的具體功能把他分為三類。

2.1.1 批處理OS：是指提高計算機效率和處理能力，操作實用方便，減少人工干預的一種OS。但他在用戶對計算結果進行分析判斷乃至反復修改方案的過程是十分不便的，因此，人們又提出了分時OS。

2.1.2 分時OS：為了即充分利用現代計算機的高速處理能力，依靠分時OS把計算機運行處理的時間分割成為各個終端作業服務的獨立單元，計算機輪流為各個終端設備的作業服務，在計算機的數據處理和情報收集網絡系統中主要是應用了上述的分時OS。

在上述的分時OS中，僅要求計算機在允許的時間內能及時響應終端的請求便可。但在工業實時控制系統中，要求必須對外來信息快速響應和處理，否則，就會出現信息丟失的后果。于是，人們又發展了實時OS。

2.2 實時OS的基本構成和主要特點

OS是一組系統資源的管理程序，依靠它來實現對處理機的管理、存儲管理、設備管理、信息管理、中斷管理等五個功能。計算機的實時OS同樣要具備這五個功能，現分述如下：

2.2.1 處理機管理：首先必須考慮如何來使用計算機，在工業實時控制系統中，計算機的控制對象不可能是單一的，例如一個車床控制系統中，要有兩套驅動步進電機，要有鍵盤，顯示器等外設，對于其中每一個具體的控制對象都存在著何時和怎樣使用處理機的問題，所以處理機管理要解決調度問題。

2.2.2 存儲管理：OS中的存儲管理技術隨著計算機系統功能的不斷擴大，而不斷提高，目前已由初期的簡單的靜態發展成動態分配，由實際存儲發展為虛擬存儲空間。其方法大致有靜態、動態地址分配、動態頁面內存管理這三種。

2.2.3 設備管理：設備管理是OS中所具有的基本功能。實時系統要及時地接受和處理實時信息，并在規定時間里對實時工作的設備發出控制信息，而不出現信息丟失的現象，就必須依靠OS來保證計算機和實時設備能在靈活的被控狀態下并行工作。這就要求實時OS具有：對外設實施監督并記錄其工作狀態、對外設實行并行運行的管理、對使用外設信息（包括啟動，中斷，結束等）進行輸入與輸出操作的功能。

2.2.4 信息管理：計算機要處理大量的信息，那些暫時還未采集傳送和處理操作的信息，就暫時存在便于檢索的儲存區域內，以備即時之需。因此，文件系統是實時OS質量的重要內容。

2.2.5 中斷管理功能：是實時OS進行實時管理的具體手段和方法，因此，微機的工業實時控制系統是在中斷管理下進行工作的。

中斷管理系統要求硬件應設置中斷監視和響應裝置，軟件應設置靈活的中斷處理程序。一般地實時系統中的各種中斷可按其優先級別由高到低分為機器中斷、程序中斷、時鐘中斷、外部設備中斷這四種。

通過以上說明，計算機的工業實時控制系統依靠實時OS的管理才能實現，雖然實時OS因計算機不同而不同，但任何計算機的工業實時控制系統都不能缺少實時OS，而且，實時OS的功能愈強愈完善，該系統用戶使用起來愈方便，愈可靠。下面結合Z-80系列微機系統監控程序分析如何建立微機工業實時控制系統的實時OS，并在此基礎上，展開應用程序設計的討論。

3 Z-80監控程序與實時OS

3.1 Z-80系統監控程序

Z-80監控程序雖然較低級，但它們是一種OS。可在系統中用來對整個系統通電或復位后進行初始引導，以便系統進入運行狀態；用來鍵入接受或保存機器編碼的源程序；用來監控執行，調式或修改源程序，以及顯示相應儲存單元或緩沖寄存器的內容。Z-80監控程序這些具體作用是通過：RAM區和使用子程序塊及表格、監控程序的地址表、監控程序總體結構出發及復位、初始引導程序、更新顯示程序、鍵盤分析處理程序的管理程序來實現的

Z-80系統監控程序還具有處理保存用戶程序的功能，依靠它來把用戶程序轉儲于外部磁帶或固化到EPROM中，使用時，便可順序裝入內存RAM進行運行。

3.2 實時系統的系統管理程序與監控程序

因為Z-80單板機的工業實時控制系統和Z-80單板機系統有很大的差別。在進行系統管理程序的設計過程中，如何最大限度地開發系統的軟件，硬件資源，是設計工作中必須認真考慮的一個重要問題，現有資源利用好，系統程序的工作量可相應減少，功能也可相應提高。

4 結論

綜上所述，首先設計實時系統一定要考慮響應時間、吞吐率、暫存時間、多任務計算、優先級、運行時間、任務同步與關鍵任務計算、可靠性參數等特征。其次明確計算機的實時OS也要具備OS的實現對處理機的管理，存儲管理，設備管理、信息管理，中斷管理這五個功能。最后討論了一下將Z-80微型計算機應用到工業實時控制系統中去，組成一個以Z-80微機為核心的工業實時控制系統。

以上只是提出如何在深入了解實時多任務OS的基礎上如何實現微機工業實時控制系統的一些想法，具體實現，本篇不再敘述。

［1］Y.柏克.多微機處理口系統[M].西安交通大學出版社，1986.

［2］袁由光.實時系統中的可靠性技術[M].清華大學出版社，1995.