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時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
摘要：提出一種采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法改進(jìn)單片機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制的軟件設(shè)計(jì)方法，并給出了在MCS-51分級分布式系統(tǒng)中應(yīng)用該算法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的實(shí)例。
關(guān)鍵詞：時(shí)間片 多任務(wù)機(jī)制 單片機(jī)系統(tǒng)
傳統(tǒng)的單任務(wù)編程思想對于明顯的順序控制要求編程簡單、思路清晰、開發(fā)周期短；但對于任務(wù)較多、控制功能復(fù)雜的問題時(shí)，卻難以滿足要求。因此，有必要對傳統(tǒng)的單任務(wù)設(shè)計(jì)思想進(jìn)行改進(jìn)。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法是實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度的一種常用算法。在這種算法中，系統(tǒng)將所有的任務(wù)按順序排成一個(gè)隊(duì)列，每次調(diào)度時(shí)把CPU分配給隊(duì)首的任務(wù)，并令其執(zhí)行一個(gè)時(shí)間片，構(gòu)成微觀上輪流運(yùn)行、宏觀上并執(zhí)行的多任務(wù)效果。作者在基于單片機(jī)的分級分布式控制系統(tǒng)——程控對講系統(tǒng)的用戶控制器程序中引入多任務(wù)機(jī)制，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法極大地改善了程序結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對32個(gè)獨(dú)立用戶的有效控制。這種程序設(shè)計(jì)思想也可以到其它以單片機(jī)為核心的分級分布控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中。
1 系統(tǒng)組成
程控對講系統(tǒng)是一個(gè)基于MCS-51的多級分布式系統(tǒng)，用戶控制器是其中的一級，整個(gè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
主控制器以單片機(jī)AT89C52為核心擴(kuò)展非易失性存儲器及其它功能器件，完成系統(tǒng)各用戶對講關(guān)系的編程和存儲，并根據(jù)對講關(guān)系對用戶模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。用戶控制器以單片機(jī)AT89C52為核心擴(kuò)展用戶機(jī)接口模塊組成，每個(gè)用戶控制器負(fù)責(zé)對其下一級的32個(gè)用戶機(jī)進(jìn)行管理與控制。
主控制器與用戶控制器之間的信息交換采用主從方式的串行通信。主控制器對8個(gè)用戶控制器輪流查詢，各用戶控制器只對與本模塊相關(guān)的命令作出反應(yīng)，用戶控制器通過雙絞線與用戶機(jī)相連，以降低系統(tǒng)成本。用戶機(jī)與用戶控制器之間傳輸距離較遠(yuǎn)，最遠(yuǎn)可達(dá)8km。為保證在復(fù)雜的環(huán)境中正確傳輸數(shù)據(jù)，兩者之間的通信采用DTMF編碼。
2 任務(wù)的分配和時(shí)間片的劃分
2.1 用戶控制器子任務(wù)的確定
用戶控制器需要實(shí)時(shí)管理32個(gè)獨(dú)立的用戶機(jī)，一方面實(shí)時(shí)接收用戶機(jī)的呼叫信號進(jìn)行處理后傳送給主控制器；另一方面根據(jù)系統(tǒng)工作狀況向用戶機(jī)發(fā)送被呼叫信息。
用戶控制器接收來自用戶機(jī)的信號有兩類。一類是DTMF編碼信號，用于檢測用戶機(jī)是否需要呼叫其它用戶機(jī)。用戶機(jī)與控制器之間傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)是不等長的，每位DTMF編碼數(shù)據(jù)的發(fā)送至少需要104ms，發(fā)送時(shí)間和空閑時(shí)間各占一半。另一類是話，DTMF編碼信號和話音信號的復(fù)用可以降低系統(tǒng)的線路成本。
在每次通信結(jié)束后，為使用戶控制器能啟動下一輪的DTMF編碼數(shù)據(jù)的接收，用戶機(jī)需要給用戶控制器發(fā)送一個(gè)起始信號——掛機(jī)信號。用戶機(jī)的工作電源直接從用戶線路上提取，在話音和DTMF編碼傳送時(shí)用戶線路有一定的工作電流（大于20mA），掛機(jī)信號使用戶線路上電流接近于零（小于5mA），用戶控制器檢測用戶線路上電路的這種變化后，進(jìn)入新一輪的DTMF編碼數(shù)據(jù)通信。掛機(jī)信號的持續(xù)時(shí)間為78ms。
用戶控制器向用戶機(jī)發(fā)送的只有DTMF編碼數(shù)據(jù)，用于告訴用戶機(jī)誰正在呼叫它。
要完成一個(gè)呼叫過程（即使通話時(shí)間為零），至少需要2×104ms（接收、發(fā)送DTMF編碼時(shí)間）+78ms（掛機(jī)時(shí)間）=286ms；完成一個(gè)被呼叫過程也至少需要2×104ms=208ms。如果每個(gè)用戶機(jī)的請求就不能實(shí)時(shí)作出響應(yīng)。為解決這個(gè)問題，在用戶控制器程序設(shè)計(jì)過程中引入多任務(wù)機(jī)制。為便于任務(wù)調(diào)度程序的調(diào)度，根據(jù)用戶操作流程將用戶機(jī)的操作細(xì)分為16個(gè)字操作，每個(gè)子操作構(gòu)成個(gè)子任務(wù)，用戶子任務(wù)分配表如表1所示。
表1 用戶子任務(wù)分配表
子任務(wù)號 功 能 執(zhí)行時(shí)間 0 等待接收 26×n 1 接收預(yù)處理 26 2 用戶機(jī)查詢 26×4 3 應(yīng)答 26×4 4 接收第1位數(shù)據(jù) 26×4 5 接收第2位數(shù)據(jù) 26×4 6 接收第3位數(shù)據(jù) 26×4 7 等待上傳 26×n 8 確認(rèn) 26×n 9 響應(yīng) 26×4 10 通話 26×n 11 掛機(jī) 26×2 12 發(fā)送預(yù)處理 26 13 發(fā)送第1位數(shù)據(jù) 26×4 14 發(fā)送第2位數(shù)據(jù) 26×4 15 發(fā)送第3位數(shù)據(jù) 26×4
2.2 時(shí)間片的劃分
在時(shí)間片的輪轉(zhuǎn)算法中，時(shí)間片的大小對系統(tǒng)性能有很大影響。如果時(shí)間片太大，大到每個(gè)任務(wù)都能在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)執(zhí)行完畢，則時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法便退化為FCFS算法。時(shí)間片的確定通常要考慮三個(gè)因素：任務(wù)的數(shù)目、系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間的要求、系統(tǒng)的處理能力。
本系統(tǒng)中用戶控制器需要對32個(gè)用戶機(jī)進(jìn)行管理控制，應(yīng)劃分成32個(gè)時(shí)間片。在不同時(shí)刻每個(gè)用戶機(jī)處于不同的工作狀況，用戶控制器需要執(zhí)行不同的用戶機(jī)任務(wù)，其處理時(shí)間也不相同。為縮短程序運(yùn)行時(shí)間把，時(shí)間片設(shè)置為可變的，時(shí)間片的長短取決于各個(gè)用戶機(jī)子任務(wù)的工作量。但用戶控制器與用戶機(jī)之間的通信時(shí)間要求很嚴(yán)，如DTMF的發(fā)送定時(shí)時(shí)間為104ms，包括52ms發(fā)送時(shí)間和52ms空閑時(shí)間，所以用戶控制器必須在52ms內(nèi)對每個(gè)用戶機(jī)巡檢一次，才能正確地接收用戶機(jī)的編碼數(shù)據(jù)。也就是說一個(gè)任務(wù)調(diào)度周期不應(yīng)大于52ms。為滿足用戶機(jī)與控制器之間的通信對時(shí)間要求，對整個(gè)任務(wù)調(diào)度周期進(jìn)行精確定時(shí)。
綜合考慮本系統(tǒng)中與時(shí)間片劃分相關(guān)的三種因素：單片機(jī)本身的運(yùn)算速度、用戶機(jī)數(shù)目及用戶機(jī)與控制器之間信號的傳送要求，確定任務(wù)調(diào)度周期為26ms。即在26ms內(nèi)用戶控制器對其下一級的32個(gè)用戶機(jī)的任務(wù)都要執(zhí)行一次。一般完成一個(gè)任務(wù)占用一個(gè)時(shí)間片，較長任務(wù)可以占用多個(gè)時(shí)間片，如14號子任務(wù)（發(fā)送第2位DTMF編碼數(shù)據(jù)）需要占用4個(gè)時(shí)間片才能完成。
為實(shí)時(shí)掌握各用戶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在用戶控制器的存儲器開辟出一個(gè)緩沖區(qū)為任務(wù)記錄表，供任務(wù)調(diào)度程序使用。任務(wù)記錄表中設(shè)置了三項(xiàng)內(nèi)容：用戶編號、子任務(wù)號及時(shí)間片數(shù)，如表2所示。
表2 任務(wù)記錄表
用戶編號 子任務(wù)號 時(shí)間片數(shù) 0～31 0～15 0～16
3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 任務(wù)調(diào)度程序的設(shè)計(jì)
根據(jù)上述分析，可以確定任務(wù)調(diào)度程序的功能：
（1）按用戶機(jī)編號調(diào)用各用戶子任務(wù)；
（2）完成一個(gè)調(diào)度周期的時(shí)間不超過26ms，并在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)對26ms進(jìn)行精確定時(shí)；
（3）在調(diào)度周期開始時(shí)，讀取所有用戶的DTMF編碼和摘/掛機(jī)狀態(tài)，供各用戶子任務(wù)處理；
（4）在調(diào)度周期結(jié)束前，根據(jù)用戶子任務(wù)處理結(jié)果向用戶機(jī)發(fā)送DTMF編碼。
調(diào)度程序的流程如圖2所示。
3.2 用戶子任務(wù)的設(shè)計(jì)
用戶子任務(wù)根據(jù)該用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并把處理結(jié)果存放于結(jié)果單元。各個(gè)子任務(wù)并不與外部輸入輸出接口直接交換數(shù)據(jù)，對接口的輸入輸出由任務(wù)調(diào)度程序在調(diào)度周期開始和結(jié)束時(shí)調(diào)用專門子程序完成。用戶子任務(wù)的切換工作根據(jù)操作流程在各子任務(wù)中完成。用戶的操作被細(xì)分為16個(gè)子操作，相應(yīng)地有16個(gè)子任務(wù)，圖3為14號子任務(wù)的流程圖。
在該子任務(wù)的開始（0ms）和中間（52ms）時(shí)刻設(shè)置DTMF數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，分別允許和禁止DTMF編碼的發(fā)送。在該子任務(wù)結(jié)束時(shí)根據(jù)該用戶緩沖區(qū)內(nèi)需發(fā)送的數(shù)據(jù)計(jì)算第2個(gè)的DTMF值，并修改任務(wù)記錄表中該用戶的調(diào)度數(shù)據(jù)，指向它的下一個(gè)子任務(wù)。其它子任務(wù)的設(shè)計(jì)思想與此子任務(wù)類似。
本文在單片機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中引入了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的多任務(wù)思想，采用時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法對傳統(tǒng)單片機(jī)編程思想進(jìn)行了改進(jìn)，并應(yīng)用在基于MCS-51的分級分布式系統(tǒng)中，有效地完成了對32個(gè)獨(dú)立用戶的控制。實(shí)踐證明這種結(jié)構(gòu)清晰、調(diào)度靈活，適用于定時(shí)要求復(fù)雜、實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的系統(tǒng)。
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