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我们来看单片机 的例子读者可能会担心单片机又称MCU或微控制器 过于专业而无法理解。完全没必要在这里我们仅借它谈论一下有关时间的话题顺带提一下单片机系统的概念。 单片机顾名思义是集成到一个芯片里面的计算机系统计算机系统就意味着 它要跑程序也就意味着要有人去编写这个程序。这同时意味着单片机本身并没有具体的功能它是一个通用件具体要实现什么功能取决于你编写的程序。 光是一块芯片可什么也干不了首先要有一个目标程序文件它可以是你亲 自编写的也可以是朋友编写的总之它在PC机里面是一个文件。然后我们通过连接到电脑的程序烧录器打开配套的烧录软件将这个文件导入到单片机内。就像把文件复制到U盘一样 单片机内已经有了程序接下来要怎么让它工作起来呢这非常简单首先 要给单片机加上一个晶振晶振产生的脉冲信号将驱动单片机按时序工作其次当然要给单片机加电最后给一个复位信号到复位管脚它就开始运行程序了。这几个最基本的要素集合在一起也叫最小系统如果不想自己亲手做在网上能够轻松淘到。 言归正传我们切入正题单片机系统往往要处理按键输入、数码管的显示、以及其他开关量信号的输入和输出处理。普通的8位单片机一般具备 24到32个IO输入输出引脚每个引脚可以作为输入也能作为输出。假设单片机供电电压为 5V那么5V 即代表着程序中的1地。而程序中的0相当于电压为0V接最简单的输出应用在P3.7管脚上面连接一个发光管的负极发光管的正极通过限流电阻接电源。如果程序给P3.7赋值为 1那么发光管两端电压都是5V电压差为0处于熄灭状态。若程序给 P3.7赋值为0那么发光管正极电压为5V负极电压为0V接地电压差使发光管点亮。这样程序就可以控制发光 管的亮与灭了最简单的输入应用在P1.7管脚上面通过一个电阻接电源上拉电阻使它默认为5V 然后再将这个管脚通过一个按钮接地当按钮按下时管脚电压变为0V。程序只要从P1.7管脚读取数值为0时表示该按键被按下。 单片机的输入和输出S1-S4 按键输入d1-d8 发光管输出 回到时间的话题先来看一下 摇摇棒的例子 摇摇棒有一排 LED 发光管 夜里摇动摇摇棒的效果 这又是什么原理这是一个眼睛被时间欺骗的经典案例眼见为实吗事实 告诉你眼见并非为实很多东西你看到了却并非你想的那样真实。同样还有很 多东西是你肉眼看不到的但看不到并不证明不存在我们先撇开摇摇棒的实现 原理来看看我们眼睛的特性。 关于人类的视觉延时 百度百科这么说视觉暂留Persistence of vision) 现象是光对视网膜所产生的视觉在光停止作用后仍保留一段时间的现象其具体应用是电影的拍摄和放映。原因是由 视神经的 反应速度造成的。是动画、电影等视觉媒体形成和传播的根据。视觉实际上是靠眼睛的晶状体成像感光细 胞感光并且将光信号转换为神经电流传回大脑引起人体视觉。感光细胞的感 光是靠一些感光色素感光色素的形成是需要一定时间的这就形成了视觉暂停 的机理。 物体在快速运动时,当人眼所看到的 影像消失后人眼仍能继续保留其影像0.1-0.4秒左右的图像这种现象被称为视觉暂留现象。是人眼具有的一种性质。人眼观看物体时成像于视网膜上并由视神经输入人脑感觉到物体的像。但当物体移去时视神经对物体的印象不会立即消失而要延续 0.1 -0.4秒的时间。人眼的这种性质被称为“眼睛的视觉暂留”。 读到这里我想也就不用再解释摇摇棒的原理了只要你切换的时间小于人 眼延时我们的眼睛就会被欺骗。接下来再看一个异曲同工的小玩意电动版摇 摇棒。 数码管是廉价、简便、易于实现的显示元件没错其实就是7个带上小 数点就是8个被做成 条状和点状的发光管。它能够通过不同段位的组合显示 出基本的数字和字母真是一项了不起的发明 数码管的高明之处是码段的复用通过 7 个段的排列组合描绘出数量超过7种的数字和字母的象形符号。如将数码管的BC点亮就是数字1如果把ABGED点亮就是数字2非常形象四岁的孩子都能读懂。数码管和单片机天然搭配前面讲到单片机的I 口输入输出口能够直接控制发光管的亮灭而一个数 码管只是8个发光管装在一个壳子里数码管与单片机连接是酱紫的 图中每个引脚上都加了电阻是因为发光管本身是个二极管二极管是不能 直接加电源的千万别把发光管当灯泡一样接到电源那样会因为电流过大而烧 毁。因此要串联一个电阻以限制通过发光管的电流单个发光管的电流在1-5mA之间。 现在问题来了估计读者也意识到这个问题了一个数码管至少需要7 个独 立的控制脚如果一个系统需要8个甚至更多数码管排列进行显示时那么至少要56个控制脚而单片机管脚十分有限难道一个单片机最多只能接2个数码管 办法当然有那就是在时间上做文章终于回到时间的话题上来了 一般来说一个系统要实现的初级形态总是最复杂的人们通过线路复用、空间复用、时间复用总之是资源的复用来简化我们的系统。数码管用了7个段显示的内容却远远超过 7 种这是对发光管的复用。一个发光管需要2根引线 意味着一个数码管至少有14根引线由于发光管的一端总是要接电源正极或地负极把这些线合并成一根线以减少管脚数量是线路的复用。 把 4 个数码管的控制脚并联在一起形成总线的模式所有数码管都用同一 组单片机IO口来驱动。读者的第一反应是不是那好像行不通岂不是所有数 码管都显示相同的内容了 D0 到 D4 能够控制单个数码管的供电如果单片机的程序这样做先在 IO口上输出 1 的码型然后只点亮第1个数码管其他数码管都关闭第二步在IO口上输出 2 的码型然后只点亮第2个数码管第三步IO口上输出3的码型然后只点亮第3个数码管第四步IO口上输出4 的码型然后只点亮第4个数码管。接着又回到第一步重复这些步骤。 没错就是一个跑马灯4个数码管依次被点亮。如果把时间因素考虑进去 这个跑马灯跑一圈的时间小于人眼的视觉延时时间嘿嘿没错眼睛就这样被 欺骗了。你就会神奇的感觉到4个数码管同时亮了而且还显示着各自独立的内容。 说完数码管再来谈一谈阵列显示 数码管虽好但其变化实在有限如果要显示一个图形、图标那非要阵列 莫属。就拿图中的最基本的阵列单元来看我的哥八八六十四个 LED 发光管 如果要使每个点都能独立显示至少需要 65 个引脚那还有简化的空间吗当然继续寻找线路复用的方法呗 通过行列形式进行组织无疑是一种直观、简化的办法用 8 根行线与 8 根列 线交叉每一个交叉点上连接一个发光管将指定的行线和列线加电那么它们 所交汇的那个发光管就被点亮。那岂不是同时只能点亮一个或者一排发光管回忆一下前面的例子现在轮到欺骗眼睛的伎俩登场坏笑 单片机 16 个引脚驱动 64 个 LED 的阵列 以上那么多例子说明一个事情平时我们所感觉到事情发生“同时”性并 不完全是真的。时间能够在你眼皮底下变戏法而让你无法察觉如果你是一个设 计者要通过区区 16 根线让 64 个发光管“同时”受控制抛弃时间因素话就 不可避免会钻到牛角尖里去。“那怎么可能” 从时间的微观角度去看很难有什么事情是真正同时发生的你在电脑上看 着文档同时电脑又播放着迷人的音乐音乐和显示器上的内容变化都是“同时” 发生着如果真的要同时那么电脑就要有成千个处理器每开启一个程序就 要增加使用一个独立的处理器。而事实上并非如此个人电脑一般只有一个处理器而且足以应付你“同时”看文档和听歌这类事。
站在程序的视角在阵列上显示一个 B总共分 8 步 阵列组织方式除了在显示上面派用场在内存中、键盘中同样可以采用类 似的方法。比如说键盘 不难理解,当按键查询程序运行一个周期所需要的时间小于你的手指按下一个按键的时间时无论你怎么去按下按键都能被程序检测到假如你是超人手指按键速度超过程序速度那当然按键就不能再响应你了这种玩弄时间的 伎俩终于被识破了坏笑。 最后上一个案例给读者自己琢磨 手握一支笔尖带有一个感光器 的光笔当光强大于一个设定的幅度时光笔 输出信号1否则输出信号0。现在要实现光笔在LED阵列上绘画的功能站在程 序的角度程序该怎么做总共分几步别忘了利用时间变戏法哦别问我为什 么不需要触摸屏奥秘全在于对时间的理解。 举了那么多栗子够累的下面我们来玩一玩概念。学概念是最占便宜的行当 既能快速理解又不需要花太大成本然后摇身一变就能装个专家了这里当 然还是说与时间有关的事来谈一谈实时系统。 实时系统是什么实时是啥意思立即、马上的意思可能差不多吧。但是 立即又是多长时间呢马上又是多长时间呢了解分时系统的读者可能会本能的理解字面意思把系统分为分时系统和实时系统两大类分时系统是过时的老技术实时系统比较高大上。真是这样吗这些理解会把人带到沟里去的。 看看百度怎么说一个实时系统是指计算的正确性不仅取决于程序的逻辑正 确性也取决于结果产生的时间如果系统的时间约束条件得不到满足将会发 生系统出错。所谓“实时”是表示“及时”而实时系统是指系统能及时响应 外部事件的请求在规定的时间内完成对该事件的处理并控制所有实时任务协 调一致的运行。 首先实时系统并非一定是计算机系统比如执行拦截任务导弹的发射电路 要求从按钮按下到导弹发射的时间间隔必须小于一个值否则将错过拦截目标而 导致任务失败。也就是说实时系统除了对功能有要求外对时间也有要求。按钮按下能够使火箭发射是功能按下按钮之后在要求的时间限制内使火箭发射是时间 既然是“实时”表示“及时”的意思那难道分时系统就不及时了吗问到 点子上了事实上实时系统与分时系统并非并列相对的它们根本就是两个不 同的概念。分时系统主要是指计算机操作系统而实时系统是一个大概念它也 包括操作系统。如果在分时系统上增加对时间的约束管理使得任务的执行时间 能够预知和可控那么这个分时系统同时又是一个实时系统。
为了加深认识举一个极端的例子 在一艘游轮安装有一个礁石避让系统这个系统由声呐装置和舵机控制两大 部分组成声呐装置探测半径为2海里游轮的最高速度20节海里每小时 那么从探测到障碍到游轮触礁的时间最快是6分钟而舵机转向之后到游轮改变 航道需要4分钟。那就要求礁石避让系统从接收到障碍信号到输出控制舵机转向 的时间必须小于2分钟。只要这个2分钟的要求能够满足那么这个礁石避让系 统就是一个实时系统 实时系统在概念上又有强实时和弱实时之分或叫硬实时和软实时之分强 实时系统Hard Real-Time在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中 应用时间需求应能够得到完全满足否则就造成如飞机失事等重大地安全事故造成重大生命财产损失和生态破坏。因此在这类系统的设计和实现过程中应 采用各种分析、模拟及形式化验证方法对系统进行严格的检验以保证在各种情 况下应用的时间需求和功能需求都能够得到满足。 弱实时系统Soft Real-Time某些应用虽然提出了时间需求但实时任 务偶尔违反这种需求对系统的运行以及环境不会造成严重影响如 视频点播Video-On-DemandVOD系统、信息采集与检索系统就是典型的弱实时系统。在VOD系统中系统只需保证绝大多数情况下视频数据能够及时传输给用户即可 偶尔的数据传输延迟对用户不会造成很大影响也不会造成像飞机失事一样严重的后果。 写在 最后其实在时间的世界里没有“久”、“立即”、“马上”、“瞬间”时间就是一个可以用数字衡量的东西我们的直觉和感官范围太小所有的感觉都建立在 相对的基础上。有句谚语说饭是要一口一口吃的事情是一件一件做的路是 一步一步走的就是要我们认识到时间的特性为什么一些人可以从容面对和处 理非常多的事而大部分人总是只能做一件事事情多了就烦躁失去头绪因 为他潜意识想所有的事情同时得到解决然后就乱了方寸。从微观的角度站在 程序的视角也是如此程序是一个指令一个指令的往下执行的语句是一句一句 往下走的不是所有的功能和信号都是同时发生的即使你感觉到它们是同时发 生的那极有可能你被“欺骗”了。 假使一个程序周期就是一次生命的话你的人生就是一部进化史。当一个键 盘扫描程序全部代码的意义发生在某个方波的下降沿附近的某个位置时它扫到 了一个按键。当你的人生发生在人类进化史上的某个细微的角落时你干了一些 有意义的事情。李白的人生、成吉思汗的人生、耶稣的人生、爷爷的人生、爸爸 的人生、你自己的人生相对于地球时间而言就如同一个程序周期发生在一连 串信号中某个方波的沟沟里面性质是一样的。无论你怎样生活无论是秉承金 钱至上还是顿悟出道的理念无论你有或没有伟大的目标无论你信不信上帝 时间就这样一如既往让每个人的人生成为它的一个瞬间。 人的聪明就在于你能够突破感官意识到眼见并非为实去理解那些你身 体感官永远感受不到的事实。希望本文能够对读者有所启发。
