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時間片輪轉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算法改進單片機系統程序設計，實現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
傳統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，有必要對傳統的單任務設計思想進行改進。時間片輪轉算法是實現多任務調度的一種常用算法。在這種算法中，系統將所有的任務按順序排成一個隊列，每次調度時把CPU分配給隊首的任務，并令其執行一個時間片，構成微觀上輪流運行、宏觀上并執行的多任務效果。作者在基于單片機的分級分布式控制系統——程控對講系統的用戶控制器程序中引入多任務機制，采用時間片輪轉算法極大地改善了程序結構，實現了對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軟件設計中。
1 系統組成
程控對講系統是一個基于MCS-51的多級分布式系統，用戶控制器是其中的一級，整個系統總體結構如圖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，完成系統各用戶對講關系的編程和存儲，并根據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。為保證在復雜的環境中正確傳輸數據，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；另一方面根據系統工作狀況向用戶機發送被呼叫信息。
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據的位數是不等長的，每位DTMF編碼數據的發送至少需要104ms，發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編碼數據的接收，用戶機需要給用戶控制器發送一個起始信號——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編碼數據通信。掛機信號的持續時間為78ms。
用戶控制器向用戶機發送的只有DTMF編碼數據，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2×104ms（接收、發送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2×104ms=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。為便于任務調度程序的調度，根據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 執行時間 0 等待接收 26×n 1 接收預處理 26 2 用戶機查詢 26×4 3 應答 26×4 4 接收第1位數據 26×4 5 接收第2位數據 26×4 6 接收第3位數據 26×4 7 等待上傳 26×n 8 確認 26×n 9 響應 26×4 10 通話 26×n 11 掛機 26×2 12 發送預處理 26 13 發送第1位數據 26×4 14 發送第2位數據 26×4 15 發送第3位數據 26×4
2.2 時間片的劃分
在時間片的輪轉算法中，時間片的大小對系統性能有很大影響。如果時間片太大，大到每個任務都能在一個時間片內執行完畢，則時間片輪轉算法便退化為FCFS算法。時間片的確定通常要考慮三個因素：任務的數目、系統對響應時間的要求、系統的處理能力。
本系統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的發送定時時間為104ms，包括52ms發送時間和52ms空閑時間，所以用戶控制器必須在52ms內對每個用戶機巡檢一次，才能正確地接收用戶機的編碼數據。也就是說一個任務調度周期不應大于52ms。為滿足用戶機與控制器之間的通信對時間要求，對整個任務調度周期進行精確定時。
綜合考慮本系統中與時間片劃分相關的三種因素：單片機本身的運算速度、用戶機數目及用戶機與控制器之間信號的傳送要求，確定任務調度周期為26ms。即在26ms內用戶控制器對其下一級的32個用戶機的任務都要執行一次。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（發送第2位DTMF編碼數據）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，在用戶控制器的存儲器開辟出一個緩沖區為任務記錄表，供任務調度程序使用。任務記錄表中設置了三項內容：用戶編號、子任務號及時間片數，如表2所示。
表2 任務記錄表
用戶編號 子任務號 時間片數 0～31 0～15 0～16
3 軟件設計
3.1 任務調度程序的設計
根據上述分析，可以確定任務調度程序的功能：
（1）按用戶機編號調用各用戶子任務；
（2）完成一個調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）在調度周期開始時，讀取所有用戶的DTMF編碼和摘/掛機狀態，供各用戶子任務處理；
（4）在調度周期結束前，根據用戶子任務處理結果向用戶機發送DTMF編碼。
調度程序的流程如圖2所示。
3.2 用戶子任務的設計
用戶子任務根據該用戶緩沖區的數據進行處理，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據，對接口的輸入輸出由任務調度程序在調度周期開始和結束時調用專門子程序完成。用戶子任務的切換工作根據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數據發送緩沖區，分別允許和禁止DTMF編碼的發送。在該子任務結束時根據該用戶緩沖區內需發送的數據計算第2個的DTMF值，并修改任務記錄表中該用戶的調度數據，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中引入了現代操作系統的多任務思想，采用時間片輪轉調度算法對傳統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、調度靈活，適用于定時要求復雜、實時性要求強的系統。
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