時間片輪轉算法在單片機程序設計中的應用

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2×104ms（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2×104ms=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×n1接收預處理262用戶機查詢26×43應答26×44接收第1位數(shù)據(jù)26×45接收第2位數(shù)據(jù)26×46接收第3位數(shù)據(jù)26×47等待上傳26×n8確認26×n9響應26×410通話26×n11掛機26×212發(fā)送預處理2613發(fā)送第1位數(shù)據(jù)26×414發(fā)送第2位數(shù)據(jù)26×415發(fā)送第3位數(shù)據(jù)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(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

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