分时系统的设计

分时系统的设计朱有田2016/11/30本文仅讨论笔者在实践分时系统过程中的方法和思想，不拘泥于编程语言工具及其技巧，不用程序语言描述，全文采用叙事的方法，引出工程实践过程中解决一些问题的过程和思路。

第一部分：单CPU计算机运行的模型计算机最基本模型是图灵模型（相关知识自行脑补），计算机将所有要处理的复杂任务分解到有限的基本的操作（指令），这个操作的集合就是指令集，指令集被设计固化到硬件（CPU或处理器）中。

程序是为了解决特定问题而编制的一个指令序列，计算机的运行就是一个在时间上串行的一个指令流。

如果有2个程序需要在一台计算机上运行，常见的场景是先运行其中一个程序，运行结束后，再运行第二个程序。

第二部分：单CPU计算机中多个程序并发执行多个程序并行的概念出现的很早，早期为了共享昂贵的计算机资源，人们试图使一个计算机为多个用户同时提供服务。

多个程序并发执行，采取分时的方法来实现，称分时系统。

分时即将时间视为资源进行分配，将时间切分为人们感知上较小的一个单位，比如20毫秒（0.02秒），称为一个时间片。

若程序11 / 18和程序2都要被执行，每个程序轮流被执行一个时间片。

从宏观（感官）上来看，程序1和程序2是同时一起执行的，就像两台计算机在同步工作一样。

若程序1和程序2同步运行，计算机是这样进行的：先运行程序1，20毫秒后，切换到程序2，20毫秒后又切换到程序1，20毫秒后再次切换到程序2，如此反复… 一秒钟切换了50次，程序1和程序2都在运行、暂停、运行、暂停这样的状态中进行，由于切换时间够快，人的感官认为程序1和程序2是同步运行的。

第三部分：中断和定时器的作用要实现分时的机制，离不开定时器和中断机制。

定时器就是定时发出中断信号让计算机能够进入切换程序；中断机制是指计算机的硬件要能够支持在执行过程中被中断，跳转到指定的中断程序中去运行，并在运行结束后能够返回到被中断的点继续运行原来的程序。

如果计算机硬件没有中断机制，则无法实现分时。

对于信号的输入处理，程序总是以顺序的方式进行的。

比如按下一个按键，程序并不是立即就知道有按键被按下，而是要等到程序指针运行到按键处理程序时才会被发现。

按键响应的速度取决于程序指针本身的运行速度和按键处理程序的长短及间隔距离，前者依赖于硬件主频，后者依赖于程序设计的水平。

这种依赖程序主动去发现的信号输入方式一般称查询方式，与查询方式相对应的是中断方式。

中断方式是设计在硬件级别的，假如按下一个按键采用中断的方式处理，那么当按键按下时触发中断,系统执行完当前指令后保存当2 / 18前的程序指针位置（返回时候用），然后将程序指针跳转到指定的点，程序设计时在这个点编写好按键处理程序，程序结束后返回到被中断的点继续运行。

很显然，中断方式的响应时间很小且容易估算，程序也不需要“定时的去查询”。

中断机制依赖于硬件提供的中断资源（可接受的中断源数量），往往比较有限；其次当多个中断信号发生时，要考虑优先次序和中断嵌套（中断过程中再响应中断）的问题。

事实上，中断的实现也是一种查询方式，当中断信号发生时，计算机并不是真正的立即响应，而是要等待当前的指令被执行完，硬件才会去查询是否有中断信号存在。

中断也可以理解为在微指令级别（一个指令由一段微指令组成）下进行查询处理的，其颗粒度是一条指令。

定时器是一种二进制计数器，其硬件上原理非常简单：用一些边沿触发器串接起来就能构成一个二进制计数器，只要输入一个方波，就能使计数器的数值加一。

当计数器加到溢出时，将溢出信号引出到中断信号，就能起到定时的作用。

我们通过给定时器设置一个初始值来设置定时器时间的长短。

比如在程序中要等待一秒钟的延时，如不用定时器，则必须让程序指针在一个循环体中空转N次，达到延时的作用。

这种方式有两个弊端：一是程序空转浪费计算机资源，在这个延时过程中，程序啥也干不了，无法响应按键，无法刷新显示，如同死机一样；二是延时精度难控制，由于程序指令本身执行时间有长短之分，要达到精确的延时，程序设计要反复调教循环体空转的次数。

3 / 18如采用定时器进行一秒延时，只要在定时器内设置好初始值（使初始值到溢出的时间刚好为1秒），开启定时器后，程序可以继续执行其他工作，如按键扫描等。

当1秒时间到达，定时器溢出发出中断信号，使程序指针跳转到中断响应程序，程序在此进行延时后的处理。

由此可以发现，定时器相当于硬件级别并行的设备，程序指针的跑动和定时器内计数值的增加是并行的。

言归正传，定时器和中断是实现分时系统的基础，其中中断机制尤为重要，70年代流行的PDP系列小型机上，分时系统的定时中断是由一个从工频电源上获取的50-60Hz的定时中断外设产生，称之为电源时钟，令人脑洞大开。

现代操作系统的祖宗UNIX就是在这种机型上产生的一种分时操作系统，UNIX最初的用户是贝尔实验室的文员们，他们用它来处理专利文书，由于多个终端上可以同步进行操作，又能方便进行共享和调用，得到当时女职员们的好评。

摘要：UNIX是用于DEC PDP-11及Interdata 8/32计算机的一个通用的交互作用的分时操作系统。

从1971年开始以来,使用日趋广泛。

UNIX所论及的内容有以下领域: 1.文件结构:一个统一的、可随机寻址的字节序列。

取消“记录”的概念。

文件寻址的效率。

2.文件系统设备的结构:目录与文件。

3.I/O 设备与文件系统的一体化。

4.用户接口:外壳程序原理,I/O重新定向以及管道。

5.进程环境:系统调用、信号、以及地址空间。

6.可靠性:瘫痪,文件的丢失。

7.安全性:损坏与检查时数据保护;阻塞情况下的系统保护。

8.一个高级语言的使用—收益与代价。

9.UNIX系统没有一般意义上的“实时”、进程间通讯、异步的I/O等功能。

4 / 18UNIX内核由10,000行左右的C语言代码和1,000行左右的汇编语言代码所组成。

汇编语言代码又可进一步分成两部份:一部份为200行,包括为提高系统效率而设计的那些代码(可以用C语言来写);另一部份为800行,包括不能用C语言写的、执行硬件功能的那些代码。

第四部分：分时的意义从程序设计角度，程序是一个单线顺序的指令流（语句流），在程序里，指令（语句）一个接一个被执行，从开始到结束，或条件转移，或反复循环。

程序员安排好这一切前后处理的次序。

在应用角度，用户打开程序，运行程序，直到结束退出，再打开另一个程序。

在DOS时代，人们就是这么做的，那真是一个单纯的时代。

在分时系统下，多个程序并行，程序员设计程序时可以设计多个线程，比如一个线程负责显示，一个线程负责键盘输入，一个线程负责数据处理。

每一个线程都是单独的程序，最终他们将同步运行，程序员除了要考虑单个线程的运行，还要考虑线程之间的同步、通信和互斥。

这改变了传统的程序设计思维，使软件的表现和可能性更加丰富多彩，程序设计手段也更加多样。

在应用角度，当你在编辑文档时，同时又在下载电影，耳机里又能播放着音乐。

这些当下看起来稀松平常的事情，在计算机还是单任务时代真是难以想象的。

5 / 18第五部分：在80c52单片机上实践分时系统分时系统并不高不可攀,了解以上的概念后,任何有经验的程序员都能对它进行实践，笔者就是在最便宜和古老的51单片机上实践了分时系统。

80c52是intel的一款增强型mcs-51单片机，51系列8位单片机自80年代开始至今仍被广泛使用在各种场景,这种芯片很便宜,也很容易就能搞到。

后来Intel将mcs-51授权给了多个芯片制造商。

以ATMEL生产的AT89S52为例，它支持总计111条的51指令集，256字节RAM，8k字节程序闪存（可反复刷写），3个16位计时器，5个中断源，1个串口，4个8位IO口。

要使她运行起来非常的方便：只需在XTAL管脚之间加一个晶振和2个27pF电容（晶振的频率决定运行速度），在VCC脚加5V电源，然后把RESET管脚对地短路一下（复位），计算机便开始从程序闪存的0地址开始取指令执行..没玩过51单片机的读者一定好奇程序是怎么编制到芯片的闪存里面去的。

单片机程序的开发主要依赖个人电脑，首先通过文本编辑器编写源程序，然后通过51的编译器程序编译成目标文件，最后通过芯片烧录器将目标文件复制（烧入）到51芯片内。

然后你的程序就可以在单片机跑动了。

事实上，无论是伟福，还是uvsion，都提供了包括编辑器、编译器、仿真和调试为一体的开发环境，程序在编制完成后，直接在开发环境里面仿真调试，经过排错后，将问题降到最低再烧入到单片机运行，这比反复烧写芯片验证程序效率要高的多。

6 / 18最要紧的事情是：AT89S52具备实现分时系统的必要条件：1支持中断，2具备计时器，3勉强够用的RAM空间。

第六部分：时间片的分配实现分时系统的第一要考虑怎么进行时间片的分配，也就是程序之间的切换问题。

这个很简单，可利用一个定时器产生一个固定的延时，当延时到达，进入定时器中断，将这个中断的入口跳转到切换程序。

注意：程序的切换不是简单的跳转，而是要先保存当前程序的执行状态、被中断的地址，不至于下次回来继续当前程序时变量、状态都被改变，那就会乱套了。

然后再选择下一个要运行的程序，将被选中程序的状态恢复到当前的各状态寄存器当中，恢复到这个程序上次被打断的点继续运行，等待下一个时间片用完，进中断，重复以上过程。

既然每个程序都要保存和恢复它的运行状态，那么问题来了。

一是要保存哪些信息，称之为保护的范围；二是需要多少内存，能够支撑多少个程序进行分时。

第一个问题，保护范围取决于用户程序的断点地址、状态字、寄存器组，以及堆栈空间。

第二个问题，支撑多少个程序进行分时取决于内存的大小，89C52的256字节支撑8个线程后，留给应用程序的内存只有36个字节，因此80c51的128个字节RAM是不够的。

在此，为了区别于系统程序，改称以上所谓被分时的程序为任务或线程。

7 / 18第七部分：内存组织的方法我们能设想到最原始的方法是通过数组（数据表）的方式，将每一个线程的保护内容固定的保存起来。

这种方法的缺点是不灵活，要增补被保护的内容就要重新定义数组，改动操作数据的代码。

当然还有更值得推荐的方法：用堆栈来组织内存。

堆栈是一种数据结构，数据如被压入冲锋步枪AK47弹匣的子弹，最先被压进去的子弹，最后才被弹出到枪膛。

在计算机内一般设有一个SP寄存器，存放堆栈指针，如果执行PUSH指令，SP先向前推一格，数据被写入SP所指向的内存；如果执行POP指令，数据从SP所指向的内存读出，SP再向后退一格。

这种先入后出的结构能够很好的支撑子程序嵌套调用时的数据存储。

举一个栗子：主程序运行时调用子程序A，当前的程序指针PC被压入堆栈（必须留下跳转点的脚印，否则子程序完成后返回不到原来被跳过去的点），接着PC跳转到子程序A中开始运行，在子程序A里面又有调用子程序B，此刻的程序指针PC也被压入堆栈，接着跳到子程序B 中，子程序B完成后返回，将堆栈中最近保存的PC弹出到PC寄存器，程序返回到子程序A，子程序A完成后返回，从堆栈弹出最早压入的PC，程序返回到主程序。