摘? 要: 提出一種采用時間片輪轉(zhuǎn)算法改進(jìn)單片機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)" title="程序設(shè)計(jì)">程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制" title="多任務(wù)機(jī)制">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)" title="分布式系統(tǒng)">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，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)按順序排成一個隊(duì)列，每次調(diào)度時把CPU分配給隊(duì)首的任務(wù),，并令其執(zhí)行一個時間片,，構(gòu)成微觀上輪流運(yùn)行、宏觀上并行執(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個獨(dú)立用戶的有效控制,。這種程序設(shè)計(jì)思想也可以用到其它以單片機(jī)為核心的分級分布控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中,。

1 系統(tǒng)組成

　　程控對講系統(tǒng)是一個基于MCS-51的多級分布式系統(tǒng),，用戶控制器是其中的一級，整個系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

?

?

　　主控制器" title="主控制器">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,，每個用戶控制器負(fù)責(zé)對其下一級的32個用戶機(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)時管理32個獨(dú)立的用戶機(jī),，一方面實(shí)時接收用戶機(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)送時間和空閑時間各占一半,。另一類是話音信號，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,。

　　在每次通話結(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流的這種變化后，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,。

　　要完成一個呼叫過程(即使通話時間為零),，至少需要2×104ms(接收,、發(fā)送DTMF編碼時間)+78ms(掛機(jī)時間)=286ms;完成一個被呼叫過程也至少需要2×104ms=208ms。如果每個用戶機(jī)在呼叫或被呼叫時獨(dú)占用戶控制器,，則用戶控制器對其它用戶機(jī)的請求就不能實(shí)時作出響應(yīng),。為解決這個問題，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" title="調(diào)度程序">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個子操作，每個子操作構(gòu)成一個子任務(wù),，用戶子任務(wù)分配表如表1所示,。

?

?

2.2 時間片的劃分

　　在時間片輪轉(zhuǎn)算法中，時間片的大小對系統(tǒng)性能有很大影響,。如果時間片太大,，大到每個任務(wù)都能在一個時間片內(nèi)執(zhí)行完畢，則時間片輪轉(zhuǎn)算法便退化為FCFS算法,。時間片的確定通常要考慮三個因素:任務(wù)的數(shù)目,、系統(tǒng)對響應(yīng)時間的要求、系統(tǒng)的處理能力,。

　　本系統(tǒng)中用戶控制器需要對32個用戶機(jī)進(jìn)行管理控制,，應(yīng)劃分成32個時間片。在不同時刻每個用戶機(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),，其處理時間也不相同。為縮短程序運(yùn)行時間把,，時間片設(shè)置為可變的,，時間片的長短取決于各個用戶機(jī)子任務(wù)的工作量。但用戶控制器與用戶機(jī)之間的通信時間要求很嚴(yán),，如DTMF的發(fā)送定時時間為104ms,，包括52ms發(fā)送時間和52ms空閑時間，所以用戶控制器必須在52ms內(nèi)對每個用戶機(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間要求,，對整個任務(wù)調(diào)度周期進(jìn)行精確定時,。

　　綜合考慮本系統(tǒng)中與時間片劃分相關(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個用戶機(jī)的任務(wù)都要執(zhí)行一次。一般完成一個任務(wù)占用一個時間片,，較長任務(wù)可以占用多個時間片,，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個時間片才能完成,。

為實(shí)時掌握各用戶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，在用戶控制器的存儲器中開辟出一個緩沖區(qū)作為任務(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)號及時間片數(shù),，如表2所示,。

?

?

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)完成一個調(diào)度周期的時間不超過26ms,，并在每個周期結(jié)束時對26ms進(jìn)行精確定時;

　　(3)在調(diào)度周期開始時,，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個子操作，相應(yīng)地有16個子任務(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,，適用于定時要求復(fù)雜、實(shí)時性要求強(qiáng)的系統(tǒng),。

?

參考文獻(xiàn)

1 湯子瀛.計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng).西安:西安電子科技大學(xué)出版社,，1999

2 張友德.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn).上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,，1998

?