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时间片轮转算法在单片机程序设计中的应用
时间片轮转算法在单片机程序设计中的应用 摘要：提出一种采用时间片轮转算法改进单片机系统程序设计，实现多任 务机制的软件设计方法，并给出了在MCS-51分级分布式系统中应用该算法进行 程序设计的实例。关键词：时间片 多任务机制 单片机系统 传统的单任务编程思想对于明显的顺序控制要求编程简单、思路清晰、开 发周期短；
但对于任务较多、控制功能复杂的问题时，却难以满足要求。因此， 有必要对传统的单任务设计思想进行改进。时间片轮转算法是实现多任务调度的 一种常用算法。在这种算法中，系统将所有的任务按顺序排成一个队列，每次调 度时把CPU分配给队首的任务，并令其执行一个时间片，构成微观上轮流运行、 宏观上并执行的多任务效果。作者在基于单片机的分级分布式控制系统——程控 对讲系统的用户控制器程序中引入多任务机制，采用时间片轮转算法极大地改善 了程序结构，实现了对32个独立用户的有效控制。这种程序设计思想也可以到其 它以单片机为核心的分级分布控制系统软件设计中。
1 系统组成 程控对讲系统是一个基于MCS-51的多级分布式系统，用户控制器是其中 的一级，整个系统总体结构如图1所示。
主控制器以单片机AT89C52为核心扩展非易失性存储器及其它功能器件，完 成系统各用户对讲关系的编程和存储，并根据对讲关系对用户模块进行实时控制。
用户控制器以单片机AT89C52为核心扩展用户机接口模块组成，每个用户控制器 负责对其下一级的32个用户机进行管理与控制。
主控制器与用户控制器之间的信息交换采用主从方式的串行通信。主控制 器对8个用户控制器轮流查询，各用户控制器只对与本模块相关的命令作出反应， 用户控制器通过双绞线与用户机相连，以降低系统成本。用户机与用户控制器之 间传输距离较远，最远可达8km。为保证在复杂的环境中正确传输数据，两者之 间的通信采用DTMF编码。
2 任务的分配和时间片的划分2.1 用户控制器子任务的确定 用户控制器需要实时管理32个独立的用户机，一方面实时接收用户机的呼 叫信号进行处理后传送给主控制器；
另一方面根据系统工作状况向用户机发送被 呼叫信息。
用户控制器接收来自用户机的信号有两类。一类是DTMF编码信号，用于 检测用户机是否需要呼叫其它用户机。用户机与控制器之间传送数据的位数是不 等长的，每位DTMF编码数据的发送至少需要104ms，发送时间和空闲时间各占 一半。另一类是话，DTMF编码信号和话音信号的复用可以降低系统的线路成本。
在每次通信结束后，为使用户控制器能启动下一轮的DTMF编码数据的接收， 用户机需要给用户控制器发送一个起始信号——挂机信号。用户机的工作电源直 接从用户线路上提取，在话音和DTMF编码传送时用户线路有一定的工作电流 （大于20mA），挂机信号使用户线路上电流接近于零（小于5mA），用户控制 器检测用户线路上电路的这种变化后，进入新一轮的DTMF编码数据通信。挂机 信号的持续时间为78ms。
用户控制器向用户机发送的只有DTMF编码数据，用于告诉用户机谁正在 呼叫它。
要完成一个呼叫过程（即使通话时间为零），至少需要2×104ms（接收、 发送DTMF编码时间）+78ms（挂机时间）=286ms；
完成一个被呼叫过程也至少 需要2×104ms=208ms。如果每个用户机的请求就不能实时作出响应。为解决这个 问题，在用户控制器程序设计过程中引入多任务机制。为便于任务调度程序的调 度，根据用户操作流程将用户机的操作细分为16个字操作，每个子操作构成个子 任务，用户子任务分配表如表1所示。
表1 用户子任务分配表 2.2 时间片的划分 在时间片的轮转算法中，时间片的大小对系统性能有很大影响。如果时间 片太大，大到每个任务都能在一个时间片内执行完毕，则时间片轮转算法便退化 为FCFS算法。时间片的确定通常要考虑三个因素：任务的数目、系统对响应时 间的要求、系统的处理能力。本系统中用户控制器需要对32个用户机进行管理控制，应划分成32个时间 片。在不同时刻每个用户机处于不同的工作状况，用户控制器需要执行不同的用 户机任务，其处理时间也不相同。为缩短程序运行时间把，时间片设置为可变的， 时间片的长短取决于各个用户机子任务的工作量。但用户控制器与用户机之间的 通信时间要求很严，如DTMF的发送定时时间为104ms，包括52ms发送时间和 52ms空闲时间，所以用户控制器必须在52ms内对每个用户机巡检一次，才能正 确地接收用户机的编码数据。也就是说一个任务调度周期不应大于52ms。为满 足用户机与控制器之间的通信对时间要求，对整个任务调度周期进行精确定时。
综合考虑本系统中与时间片划分相关的三种因素：单片机本身的运算速度、 用户机数目及用户机与控制器之间信号的传送要求，确定任务调度周期为26ms。
即在26ms内用户控制器对其下一级的32个用户机的任务都要执行一次。一般完 成一个任务占用一个时间片，较长任务可以占用多个时间片，如14号子任务（发 送第2位DTMF编码数据）需要占用4个时间片才能完成。
为实时掌握各用户机的运行状态，在用户控制器的存储器开辟出一个缓冲 区为任务记录表，供任务调度程序使用。任务记录表中设置了三项内容：用户编 号、子任务号及时间片数，如表2所示。
表2 任务记录表 3 软件设计 3.1 任务调度程序的设计 根据上述分析，可以确定任务调度程序的功能：
（1）按用户机编号调用各用户子任务；
（2）完成一个调度周期的时间不超过26ms，并在每个周期结束时对26ms 进行精确定时；
（3）在调度周期开始时，读取所有用户的DTMF编码和摘/挂机状态，供 各用户子任务处理；
（4）在调度周期结束前，根据用户子任务处理结果向用户机发送DTMF 编码。调度程序的流程如图2所示。
3.2 用户子任务的设计 用户子任务根据该用户缓冲区的数据进行处理，并把处理结果存放于结果 单元。各个子任务并不与外部输入输出接口直接交换数据，对接口的输入输出由 任务调度程序在调度周期开始和结束时调用专门子程序完成。用户子任务的切换 工作根据操作流程在各子任务中完成。用户的操作被细分为16个子操作，相应地 有16个子任务，图3为14号子任务的流程图。
在该子任务的开始（0ms）和中间（52ms）时刻设置DTMF数据发送缓冲 区，分别允许和禁止DTMF编码的发送。在该子任务结束时根据该用户缓冲区内 需发送的数据计算第2个的DTMF值，并修改任务记录表中该用户的调度数据， 指向它的下一个子任务。其它子任务的设计思想与此子任务类似。
本文在单片机实时控制系统中引入了现代操作系统的多任务思想，采用时 间片轮转调度算法对传统单片机编程思想进行了改进，并应用在基于MCS-51的 分级分布式系统中，有效地完成了对32个独立用户的控制。实践证明这种结构清 晰、调度灵活，适用于定时要求复杂、实时性要求强的系统。
