Nghiên cứu thiết kế hệ điều hành trên bộ vi điều khiển 8 bít

giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sỹ khoa học Nghiên cứu, thiết kế hệ điều hành vi điều khiển bít ngành: xử lý thông tin truyền thông M số: vũ trung kiên Ngời hớng dÉn khoa häc: TS Ngun Linh Giang hµ néi 2006 -2- Lời cam đoan Tôi xin cam đoan luận văn kết nghiên cứu thân d−íi sù h−íng dÉn cđa TS Ngun Linh Giang NÕu có sai phạm, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Ngời làm cam đoan Vũ Trung Kiên -3- Mục lơc Lêi cam ®oan Danh mơc c¸c ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị Lời nói đầu Ch−¬ng - Tỉng quan vỊ hệ điều hành 11 1.1 Khái niệm hệ điều hành (OS-Operating System) 11 1.1.1 Kh¸i niƯm 11 1.1.2 Chức hệ điều hành 11 1.1.3 Các thành phần hệ điều hµnh 13 1.2 Quản lý tiến trình 16 1.2.1 Các trạng thái tiến trình 16 1.2.2 Khái niệm tài nguyên găng đoạn tới hạn 17 1.2.3 Hiện tợng bế tắc 19 1.3 LËp lÞch cho CPU 20 1.3.1 Kh¸i niƯm giê CPU 20 1.3.2 Các trạng thái tiến trình liên quan đến giê CPU 20 1.3.3 LËp lÞch cho CPU 22 1.4 Qu¶n lý bé nhí 25 1.4.1 Yêu cầu phải quản lý nhớ 25 1.4.2 Các sơ đồ quản lý nhớ 26 Ch−¬ng - Vi điều khiển ngôn ngữ lập trình cho vi ®iỊu khiĨn 28 2.1 Vi ®iỊu khiĨn 28 2.1.1 Vi xử lý vi điều khiển 28 2.1.2 Tæ chøc bé nhí cđa vi ®iỊu khiĨn 30 2.1.3 Các định thời 35 2.1.4 Bé xư lý ng¾t 37 2.2 Ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển 39 -42.2.1 Tỉng quan vỊ ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển 39 2.2.2 Những vấn đề với ngôn ngữ C viết cho vi điều khiển 42 Ch−¬ng - thiÕt kÕ hƯ vi điều khiển 49 3.1 Xác định yêu cÇu thiÕt kÕ 50 3.2 Lùa chän cÊu h×nh cho hÖ thèng 51 3.2.1 Lựa chọn điều khiển trung tâm 51 3.2.2 Giao diƯn ng−êi sư dơng 52 3.2.3 Các thiết bị mô trình hoạt động tiến trình 53 3.3 Thiết kế mạch điện 58 3.4 Đo thử kiểm tra lỗi 59 Ch−¬ng - Thiết kế hệ điều hành .60 4.1.1 Mục đích yêu cầu thiết kế 60 4.1.2 Mơc ®Ých 60 4.1.2 Yêu cầu 63 4.2 Trình tự thiết kế hệ điều hành 64 4.3 Xây dựng tiến trình 65 4.3.1 X©y dùng tác vụ tơng ứng tiến trình 65 4.3.2 Giải toán tài nguyên găng 69 4.4 LËp lÞch cho CPU 71 4.4.1 Sù kiÖn chuyển trạng thái tiến trình 71 4.4.2 LËp lÞch cho CPU 80 4.5 Qu¶n lý bé nhí 83 Kết luận kiến nghị .86 Tài liệu tham khảo 87 -5- Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt STT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ FCFS First Come First Served FIFO First In First Out LIFO Last In First Out MCS Micro Controller System OS RTOS RR Round Robbin SJF Shortest Job First SRT Shortest Remain Time 10 uC Operating System Real Time Operating System Micro Controller -6- Danh mục bảng Bảng 1.1 Trạng thái tiến trình 19 Bảng 1.2 Thời gian thực tiến trình 25 Bảng 1.3 Thời gian chờ tiến trình 25 B¶ng 2.1 Bé nhí liệu chíp AT89S52 33 -7- Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Các trạng thái tiến trình 17 H×nh 1.2 Các trạng thái tiến trình liên quan đến CPU 20 Hình 1.3 Sơ đồ thực hiƯn tiÕn tr×nh 21 Hình 1.4 Sơ đồ tổ chức hàng đợi tiến trình 22 Hình 1.5 Sơ đồ Grant 25 H×nh 2.1 Sơ đồ khối vi điều khiển AT89S52 29 H×nh 2.2 Tỉ chøc bé nhí cđa vi ®iỊu khiĨn 30 Hình 2.3 Sơ đồ ghép nèi AT89S52 víi EPROM 31 Hình 2.4 Sơ đồ ghép nối AT89S52 với RAM 34 Hình 2.5 Giải mà địa cho vi mạch nhớ 34 H×nh 2.6 Bé nhí liệu đọc nh nhớ chơng trình 35 Hình 2.7 Hoạt động Timer0 Timer1 chế độ 36 Hình 2.8 Các nguồn ngắt AT89S52 38 H×nh 3.1 Tr×nh tù thiÕt kÕ phÇn cøng cho hƯ thèng 49 Hình 3.2 Sơ đồ khối hƯ vi ®iỊu khiĨn 51 Hình 3.3 Ghép nối vi điều khiển víi RAM ngoµi 52 Hình 3.4 Giao diện ngời sử dụng hệ vi ®iỊu khiĨn 53 H×nh 3.5 Hiển thị LED đoạn kỹ thuật quét 54 H×nh 3.6 GhÐp nèi ma trận LED hệ vi điều khiển 57 Hình 3.7 Nguyên tắc xếp chữ ma trËn LED 58 Hình 4.1 Các tác vụ đợc thực đồng thời (song song) 62 Hình 4.2 Các tác vụ đợc thực luân phiên liên tục 62 Hình 4.3 Giản đồ xung P1 69 Hình 4.4 Chốt lại giá trị P1 70 -8Hình 4.5 Các tiến trình đợc phân bổ thời gian CPU b»ng 71 H×nh 4.6 Chun tiến trình kiện time out 73 Hình 4.7 Các tiến trình đợc phân bổ thời gian CPU khác 74 Hình 4.8 Ngời sử dụng lệnh vào thời điểm khác 75 Hình 4.9 Chuyển cá tiến trình kiện interrupt 76 Hình 4.9 Mô tả trạng thái tài nguyên tiến trình 77 Hình 4.10 Các tài nguyên cần lu dõng mét tiÕn tr×nh 78 Hình 4.11 Phân bổ ngăn xếp cho tiến trình 79 H×nh 4.12 LËp lịch cho tiến trình thực quét chữ ma trận LED 81 Hình 4.13 Lập lịch cho tiến trình quét số LED đoạn 81 Hình 4.14 Lập lịch cho tiến trình điều khiển LCD 82 Hình 4.15 Lập lịch cho tiến trình thời gian thùc 82 H×nh 4.16 Tỉ chøc bé nhí ROM cđa hƯ vi ®iỊu khiĨn 83 H×nh 4.17 Thay đổi vị trí đặt chơng trình phục vụ ngắt 84 Hình 4.18 Phân bổ nhí ROM 85 Hình 4.19 Phân bổ nhớ RAM 85 -9- Lời nói đầu Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, cụm từ tự động hoá đà trở nên phổ thông Từ máy móc tự động nhà máy xí nghiệp thay cho sức lao động công nhân, từ đồ gia dụng tự động gia đình giúp ích cho ngời nội trợ nói chung thiết bị có khả tự động hoá xuất khắp nơi Một câu hỏi đặt với nhiều ngời nhờ đâu mà thiết bị có khả tự động đợc? Để trả lời câu hỏi cần phải từ có cụm từ tự động hoá đời Trớc kia, cha có công nghệ bán dẫn, phần tử có tiếp điểm đợc đầu nối với theo mạch logic tạo hệ thống tự động, nhiên khả đáp ứng tính tự động hệ thống không cao Công nghệ bán dẫn đời, giải đợc hạn chế đáp ứng (tốc độ) phần tử có tiếp điểm nhiên phải chờ đến có xuất hiƯn cđa c¸c bé vi xư lý, c¸c hƯ thèng có tính tự động hoá cao đời Đặc trng hệ thống đợc mô tả công thức đơn giản: Phần cứng + Phần mềm = ứng dụng Theo công thức tuỳ biến thành phần phần cứng phần mềm cho ứng dụng khác Thông thờng phần mềm thành phần đợc tuỳ biến Một hƯ thèng víi c¸c bé vi xư lý cã thĨ giả suy nghĩ hành động ngời lý đơn giản chúng hoạt động theo chơng trình ngời thiết kế đa vào mà chơng trình thuật toán ý nghĩ ngời lập trình Nh để hệ thống có tính thông minh, tự động hoá cao phần mềm viết cho vấn đề quan träng Mét hƯ thèng víi cïng mét phÇn cøng nh−ng đợc viết hệ điều hành khả trở nên mạnh nhiều so với hệ thống có chơng trình Với mục đích không ngừng đáp ứng nhu cầu -10xà hội, môn học hệ nhúng đà đợc đa vào giảng dạy trờng Cao đẳng Đại học Tuy nhiên để có hiệu qủa giảng dạy tốt cần có phơng pháp nghiên cứu thiết kế tắc cần phải có thiết bị phục vụ qua trình thí nghiệm Trờng Đại học Công nghiệp Hà nội trờng đào tạo cử nhân kỹ s thực hành Trong chơng trình đào tạo đà có môn kỹ thuật vi điều khiển, coi tảng để tiÕp cËn víi c¸c hƯ thèng nhóng sư dơng vi điều khiển có hệ điều hành Việc nghiên cứu để đa vào giảng dạy môn thiết kế hệ điều hành cho hệ vi điều khiển phù hợp với yêu cầu Với hớng dẫn TS Nguyễn Linh Giang, khuôn khổ luận văn này, mạnh dạn nghiên cứu nguyên tắc thiết kế hệ điều hành hệ vi điều khiển Nội dung luận văn bao gồm chơng, đó: Chơng 1: Giới thiệu tổng quan hệ điều hành Chơng 2: Giới thiệu vi điều khiển đợc sử dụng để viết hệ điều hành ngôn ngữ lập trình cho vi điều khiển Chơng Thiết kế phần cứng hệ vi điều khiển Chơng Thiết kế hệ điều hành cho hệ vi điều khiển Do thời gian khả có hạn nên luận văn nhiều thiếu sót Rất mong đợc góp ý thông cảm thầy giáo, cô giáo Hà nội, ngày 30 tháng 10 năm 2006 Học viên Vũ Trung Kiên -73Có thể mô tả hoạt động chơng trình hình 4.6 Hết 100ms, xảy ngắt định thời task task task t ISRtimer0() { while(counter