摘要：提出一種採用時間片輪轉演算法改進單片機系統程式設計，實現多任務機制的軟體設計方法，並給出了在MCS-51分級分布式系統中應用該演算法進行程式設計的執行個體。
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於明顯的順序控制要求編程簡單、思路清晰、開發週期短；但對於任務較多、控制功能複雜的問題時，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。時間片輪轉演算法是實現多任務調度的一種常用演算法。在這種演算法中，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，並令其執行一個時間片，構成微觀上輪流程執行、宏觀上並執行的多任務效果。作者在基於單片機的分級分布式控制系統——程式控制對講系統的使用者控制器程式中引入多任務機制，採用時間片輪轉演算法極大地改善了程式結構，實現了對32個獨立使用者的有效控制。這種程式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體設計中。
1 系統組成程式控制對講系統是一個基於MCS-51的多級分布式系統，使用者控制器是其中的一級，整個系統總體結構1所示。
主控制器以單片機AT89C52為核心擴充非易失性儲存空間及其它功能器件，完成系統各使用者對講關係的編程和儲存，並根據對講關係對使用者模組進行即時控制。使用者控制器以單片機AT89C52為核心擴充使用者機介面模組組成，每個使用者控制器負責對其下一級的32個使用者機進行管理與控制。主控制器與使用者控制器之間的資訊交換採用主從方式的串列通訊。主控制器對8個使用者控制器輪流查詢，各使用者控制器只對與本模組相關的命令作出反應，使用者控制器通過雙絞線與使用者機相連，以降低系統成本。使用者機與使用者控制器之間傳輸距離較遠，最遠可達8km。為保證在複雜的環境中正確傳輸資料，兩者之間的通訊採用DTMF編碼。
2 任務的分配和時間片的劃分2.1 使用者控制器子任務的確定使用者控制器需要即時管理32個獨立的使用者機，一方面即時接收使用者機的呼叫符號進行處理後傳送給主控制器；另一方面根據系統工作狀況向使用者機發送被呼叫資訊。使用者控制器接收來自使用者機的訊號有兩類。一類是DTMF編碼訊號，用於檢測使用者機是否需要呼叫其它使用者機。使用者機與控制器之間傳送資料的位元是不等長的，每位DTMF編碼資料的發送至少需要104ms，發送時間和空閑時間各佔一半。另一類是話，DTMF編碼訊號和話音訊號的複用可以降低系統的線路成本。
在每次通訊結束後，為使使用者控制器能啟動下一輪的DTMF編碼資料的接收，使用者機需要給使用者控制器發送一個起始訊號——掛機訊號。使用者機的工作電源直接從使用者線路上提取，在話音和DTMF編碼傳送時使用者線路有一定的工作電流（大於20mA），掛機訊號使使用者線路上電流接近於零（小於5mA），使用者控制器檢測使用者線路上電路的這種變化後，進入新一輪的DTMF編碼資料通訊。掛機訊號的期間為78ms。使用者控制器向使用者機發送的只有DTMF編碼資料，用於告訴使用者機誰正在呼叫它。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。如果每個使用者機的請求就不能即時作出響應。為解決這個問題，在使用者控制器程式設計過程中引入多任務機制。為便於任務發送器的調度，根據使用者操作流程將使用者機的操作細分為16個字操作，每個子操作構成個子任務，使用者子任務分配表如表1所示。
表1 使用者子任務分配表
| 子任務號 |
功 能 |
執行時間 |
| 0 |
等待接收 |
26×n |
| 1 |
接收預先處理 |
26 |
| 2 |
使用者機查詢 |
26×4 |
| 3 |
應答 |
26×4 |
| 4 |
接收第1位元據 |
26×4 |
| 5 |
接收第2位元據 |
26×4 |
| 6 |
接收第3位元據 |
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 |
發送預先處理 |
26 |
| 13 |
發送第1位元據 |
26×4 |
| 14 |
發送第2位元據 |
26×4 |
| 15 |
發送第3位元據 |
26×4 |
2.2 時間片的劃分在時間片的輪轉演算法中，時間片的大小對系統效能有很大影響。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，則時間片輪轉演算法便退化為FCFS演算法。時間片的確定通常要考慮三個因素：任務的數目、系統對回應時間的要求、系統的處理能力。本系統中使用者控制器需要對32個使用者機進行管理控制，應劃分成32個時間片。在不同時刻每個使用者機處於不同的工作狀況，使用者控制器需要執行不同的使用者機任務，其處理時間也不相同。為縮短程式已耗用時間把，時間片設定為可變的，時間片的長短取決於各個使用者機子任務的工作量。但使用者控制器與使用者機之間的通訊時間要求很嚴，如DTMF的發送定時時間為104ms，包括52ms發送時間和52ms空閑時間，所以使用者控制器必須在52ms內對每個使用者機巡檢一次，才能正確地接收使用者機的編碼資料。也就是說一個任務調度周期不應大於52ms。為滿足使用者機與控制器之間的通訊對時間要求，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、使用者機數目及使用者機與控制器之間訊號的傳送要求，確定任務調度周期為 26ms。即在26ms內使用者控制器對其下一級的32個使用者機的任務都要執行一次。一般完成一個任務佔用一個時間片，較長任務可以佔用多個時間片，如14 號子任務（發送第2位DTMF編碼資料）需要佔用4個時間片才能完成。為即時掌握各使用者機的運行狀態，在使用者控制器的儲存空間開闢出一個緩衝區為任務記錄表，供任務發送器使用。任務記錄表中設定了三項內容：使用者編號、子任務號及時間片數，如表2所示。
表2 任務記錄表
| 使用者編號 |
子任務號 |
時間片數 |
| 0～31 |
0～15 |
0～16 |
3 軟體設計3.1 任務發送器的設計根據上述分析，可以確定任務發送器的功能：（1）按使用者機編號調用各使用者子任務；（2）完成一個調度周期的時間不超過26ms，並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，讀取所有使用者的DTMF編碼和摘/掛機狀態，供各使用者子任務處理；（4）在調度周期結束前，根據使用者子任務處理結果向使用者機發送DTMF編碼。發送器的流程2所示。
3.2 使用者子任務的設計使用者子任務根據該使用者緩衝區的資料進行處理，並把處理結果存放於結果單元。各個子任務並不與外部輸入輸出介面直接交換資料，對介面的輸入輸出由任務發送器在調度周期開始和結束時調用專門子程式完成。使用者子任務的切換工作根據操作流程在各子任務中完成。使用者的操作被細分為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）時刻設定DTMF資料發送緩衝區，分別允許和禁止DTMF編碼的發送。在該子任務結束時根據該使用者緩衝區內需發送的資料計算第2個的DTMF值，並修改任務記錄表中該使用者的調度資料，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。本文在單片機即時控制系統中引入了現代作業系統的多任務思想，採用時間片輪轉調度演算法對傳統單片機編程思想進行了改進，並應用在基於MCS- 51的分級分布式系統中，有效地完成了對32個獨立使用者的控制。實踐證明這種結構清晰、調度靈活，適用於定時要求複雜、即時性要求強的系統。
