時間片輪轉(zhuǎn)算法在單片機程序設計中的應用

摘要：提出一種采用時間片輪轉(zhuǎn)算法改進單片機系統(tǒng)程序設計，實現(xiàn)多任務機制的軟件設計方法，并給出了在MCS-51分級分布式系統(tǒng)中應用該算法進行程序設計的實例。 關鍵詞：時間片 多任務機制 單片機系統(tǒng) 傳統(tǒng)的單任務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；但對于任務較多、控制功能復雜的問題時，卻難以滿足要求。因此，有必要對傳統(tǒng)的單任務設計思想進行改進。時間片輪轉(zhuǎn)算法是實現(xiàn)多任務調(diào)度的一種常用算法。在這種算法中，系統(tǒng)將所有的任務按順序排成一個隊列，每次調(diào)度時把CPU分配給隊首的任務，并令其執(zhí)行一個時間片，構成微觀上輪流運行、宏觀上并執(zhí)行的多任務效果。作者在基于單片機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機制，采用時間片輪轉(zhuǎn)算法極大地改善了程序結構，實現(xiàn)了對32個獨立用戶的有效控制。這種程序設計思想也可以到其它以單片機為核心的分級分布控制系統(tǒng)軟件設計中。 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)總體結構如圖1所示。主控制器以單片機AT89C52為核心擴展非易失性存儲器及其它功能器件，完成系統(tǒng)各用戶對講關系的編程和存儲，并根據(jù)對講關系對用戶模塊進行實時控制。用戶控制器以單片機AT89C52為核心擴展用戶機接口模塊組成，每個用戶控制器負責對其下一級的32個用戶機進行管理與控制。 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的命令作出反應，用戶控制器通過雙絞線與用戶機相連，以降低系統(tǒng)成本。用戶機與用戶控制器之間傳輸距離較遠，最遠可達8km。為保證在復雜的環(huán)境中正確傳輸數(shù)據(jù)，兩者之間的通信采用DTMF編碼。 2 任務的分配和時間片的劃分 2.1 用戶控制器子任務的確定 用戶控制器需要實時管理32個獨立的用戶機，一方面實時接收用戶機的呼叫信號進行處理后傳送給主控制器；另一方面根據(jù)系統(tǒng)工作狀況向用戶機發(fā)送被呼叫信息。 用戶控制器接收來自用戶機的信號有兩類。一類是DTMF編碼信號，用于檢測用戶機是否需要呼叫其它用戶機。用戶機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，DTMF編碼信號和話音信號的復用可以降低系統(tǒng)的線路成本。在每次通信結束后，為使用戶控制器能啟動下一輪的DTMF編碼數(shù)據(jù)的接收，用戶機需要給用戶控制器發(fā)送一個起始信號——掛機信號。用戶機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，進入新一輪的DTMF編碼數(shù)據(jù)通信。掛機信號的持續(xù)時間為78ms。 用戶控制器向用戶機發(fā)送的只有DTMF編碼數(shù)據(jù)，用于告訴用戶機誰正在呼叫它。 要完成一個呼叫過程（即使通話時間為零），至少需要2%26;#215;104ms（接收、發(fā)送DTMF編碼時間）+78ms（掛機時間）=286ms；完成一個被呼叫過程也至少需要2%26;#215;104ms=208ms。如果每個用戶機的請求就不能實時作出響應。為解決這個問題，在用戶控制器程序設計過程中引入多任務機制。為便于任務調(diào)度程序的調(diào)度，根據(jù)用戶操作流程將用戶機的操作細分為16個字操作，每個子操作構成個子任務，用戶子任務分配表如表1所示。表1 用戶子任務分配表 子任務號功 能執(zhí)行時間0等待接收26%26;#215;n1接收預處理262用戶機查詢26%26;#215;43應答26%26;#215;44接收第1位數(shù)據(jù)26%26;#215;45接收第2位數(shù)據(jù)26%26;#215;46接收第3位數(shù)據(jù)26%26;#215;47等待上傳26%26;#215;n8確認26%26;#215;n9響應26%26;#215;410通話26%26;#215;n11掛機26%26;#215;212發(fā)送預處理2613發(fā)送第1位數(shù)據(jù)26%26;#215;414發(fā)送第2位數(shù)據(jù)26%26;#215;415發(fā)送第3位數(shù)據(jù)26%26;#215;42.2 時間片的劃分 在時間片的輪轉(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：任務的數(shù)目、系統(tǒng)對響應時間的要求、系統(tǒng)的處理能力。 本系統(tǒng)中用戶控制器需要對32個用戶機進行管理控制，應劃分成32個時間片。在不同時刻每個用戶機處于不同的工作狀況，用戶控制器需要執(zhí)行不同的用戶機任務，其處理時間也不相同。為縮短程序運行時間把，時間片設置為可變的，時間片的長短取決于各個用戶機子任務的工作量。但用戶控制器與用戶機之間的通信時間要求很嚴，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)對每個用戶機巡檢一次，才能正確地接收用戶機的編碼數(shù)據(jù)。也就是說一個任務調(diào)度周期不應大于52ms。為滿足用戶機與控制器之間的通信對時間要求，對整個任務調(diào)度周期進行精確定時。 綜合考慮本系統(tǒng)中與時間片劃分相關的三種因素：單片機本身的運算速度、用戶機數(shù)目及用戶機與控制器之間信號的傳送要求，確定任務調(diào)度周期為26ms。即在26ms內(nèi)用戶控制器對其下一級的32個用戶機的任務都要執(zhí)行一次。一般完成一個任務占用一個時間片，較長任務可以占用多個時間片，如14號子任務（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。 為實時掌握各用戶機的運行狀態(tài)，在用戶控制器的存儲器開辟出一個緩沖區(qū)為任務記錄表，供任務調(diào)度程序使用。任務記錄表中設置了三項內(nèi)容：用戶編號、子任務號及時間片數(shù)，如表2所示。表2 任務記錄表 用戶編號子任務號時間片數(shù)0～310～150～163 軟件設計 3.1 任務調(diào)度程序的設計 根據(jù)上述分析，可以確定任務調(diào)度程序的功能： （1）按用戶機編號調(diào)用各用戶子任務； （2）完成一個調(diào)度周期的時間不超過26ms，并在每個周期結束時對26ms進行精確定時； （3）在調(diào)度周期開始時，讀取所有用戶的DTMF編碼和摘/掛機狀態(tài)，供各用戶子任務處理； （4）在調(diào)度周期結束前，根據(jù)用戶子任務處理結果向用戶機發(fā)送DTMF編碼。 調(diào)度程序的流程如圖2所示。3.2 用戶子任務的設計 用戶子任務根據(jù)該用戶緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行處理，并把處理結果存放于結果單元。各個子任務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調(diào)度程序在調(diào)度周期開始和結束時調(diào)用專門子程序完成。用戶子任務的切換工作根據(jù)操作流程在各子任務中完成。用戶的操作被細分為16個子操作，相應地有16個子任務，圖3為14號子任務的流程圖。 在該子任務的開始（0ms）和中間（52ms）時刻設置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。在該子任務結束時根據(jù)該用戶緩沖區(qū)內(nèi)需發(fā)送的數(shù)據(jù)計算第2個的DTMF值，并修改任務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。其它子任務的設計思想與此子任務類似。 本文在單片機實時控制系統(tǒng)中引入了現(xiàn)代操作系統(tǒng)的多任務思想，采用時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法對傳統(tǒng)單片機編程思想進行了改進，并應用在基于MCS-51的分級分布式系統(tǒng)中，有效地完成了對32個獨立用戶的控制。實踐證明這種結構清晰、調(diào)度靈活，適用于定時要求復雜、實時性要求強的系統(tǒng)。

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