狀態(tài)機(jī)在嵌入式前后臺系統(tǒng)中的應(yīng)用

在嵌入式前后臺系統(tǒng)中，外部的異步事件通過中斷來捕獲并運(yùn)行在后臺，而其他的任務(wù)則運(yùn)行于前臺。提高系統(tǒng)中的任務(wù)處理能力，是嵌入式前后臺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本文描述了利用狀態(tài)機(jī)來提高嵌入式前后臺系統(tǒng)任務(wù)處理能力的實(shí)現(xiàn)方法。為了便于研究和描述狀態(tài)機(jī)在嵌入式前后臺軟件系統(tǒng)中的應(yīng)用，本文將以移動(dòng)2G光纖直放站近端機(jī)的監(jiān)控軟件案例來闡述和說明。
  

      1  移動(dòng)2G光纖直放站近端機(jī)監(jiān)控單元
      　　對于移動(dòng)2G光纖直放站近端機(jī)監(jiān)控單元，只介紹與本文有關(guān)部分的原理框圖，如圖1所示。圖中GSM Modem通過AT91SAM7S256的串口1相連。由于GSM Modem的特性和短消息的收發(fā)，其通信收發(fā)處理相對比較繁瑣和復(fù)雜。例如，發(fā)送短消息時(shí)，需要向Modem發(fā)送“AT+CMGS=電話號碼”并等待一定的時(shí)間，再發(fā)送短消息內(nèi)容，等待發(fā)送成功。短消息發(fā)送成功后，GSM Modem將回應(yīng)“+CMGS序號”的信息。其發(fā)送需要等待的時(shí)間長短不定。

在移動(dòng)2G光纖直放站近端機(jī)中，通過串口1發(fā)送到GSM Modem的數(shù)據(jù)不僅僅是短消息，還包括下行功率查詢、信源信息查詢、讀取/刪除短消息等。因此，針對移動(dòng)2G光纖直放站近端機(jī)監(jiān)控單元的要求和軟件系統(tǒng)為前后臺系統(tǒng)的特點(diǎn)，移動(dòng)2G光纖直放站近端機(jī)監(jiān)控單元的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)采用了狀態(tài)機(jī)和隊(duì)列的方式。
      2  軟件的設(shè)計(jì)思路
      根據(jù)前后臺軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合移動(dòng)2G光纖直放站近端機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，以移動(dòng)2G光纖直放站近端機(jī)的監(jiān)控軟件中的短消息收發(fā)子系統(tǒng)為例，來闡述軟件的設(shè)計(jì)思路。GSM Modem的短消息接收采用軟件主動(dòng)讀取的方式，即軟件以中斷方式接收到短消息在Modem中存儲的序號，然后軟件主動(dòng)讀取短消息和刪除已讀取的短消息。短消息的收發(fā)處理流程如圖2所示。
      2.1  短消息的接收
      　　如圖2所示，GSM Modem主動(dòng)上報(bào)的信息將存儲到串口1接收緩沖區(qū)中，軟件從串口1接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)中解析出短信序號（Modem收到的短消息在Modem中的存儲序號）存儲到短信序號隊(duì)列（短信序號緩沖區(qū)1~n）中，然后軟件通過短信序號隊(duì)列的狀態(tài)來決定是否需要向Modem發(fā)送讀取短信或者刪除短信命令。
        當(dāng)軟件發(fā)送讀短消息命令后，GSM Modem將對應(yīng)序號的短信息送出，數(shù)據(jù)將存儲到串口1接收緩沖區(qū)中，軟件再從串口1接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)中解析出短消存儲到短信隊(duì)列（短信緩沖區(qū)1~m）中。這樣需要軟件處理的短消息就存儲到了短信隊(duì)列中，而處理的事情則交由軟件的其他區(qū)處理。

圖2  直放站短信收發(fā)處理流程
      2.2  短消息的發(fā)送
      　　對所有需要發(fā)送到GSM Modem的數(shù)據(jù)，則通過UART1發(fā)送緩沖區(qū)來完成。具體發(fā)送哪些數(shù)據(jù)（讀取/刪除短信、下行功率查詢、信源信息查詢、未讀短信查詢）或者緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)（短消息發(fā)送緩沖區(qū)、告警上報(bào)發(fā)送緩沖區(qū)）由軟件根據(jù)相應(yīng)的狀態(tài)來選擇確定。
      3  設(shè)計(jì)思路的實(shí)現(xiàn)
      3.1  串口1數(shù)據(jù)的發(fā)送
      3.1.1  串口1發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
      　　串口1是否有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，由串口1的發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)來決定。串口1發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：
      　　typedef struct{
      　　　　unsigned char bStBuf;//bStBuf =
      Uart1_TxBuf_Rdy或者=Uart1_TxBuf_Wait或者=Uart1_TxBuf_Empty
      　　　　unsigned short Index;
      　　　　unsigned short Len;
      　　　　char Buf[270];
      　　}Uart1Buf_t;
      　?、?bStBuf成員： 串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)。
      　?、?Index成員： 串口1發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)索引。
      　?、?Len成員： 串口1發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中有效數(shù)據(jù)的長度。
      　?、?Buf成員： 串口1發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
      3.1.2  串口1發(fā)送緩沖區(qū)軟件定時(shí)器
      　　由于GSM Modem的特性致使串口1不能不間斷地發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，對串口1的數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)定一個(gè)軟件定時(shí)器。軟件定時(shí)器用于控制GSM Modem是否可以接收來自串口1的新數(shù)據(jù)。軟件定時(shí)器的結(jié)構(gòu)定義如下：
      　　typedef struct{
      　　　　unsigned char bTimerSt;//軟件定時(shí)器的狀態(tài): Timer_START或Timer_STOP
      　　　　unsigned int TimerCtn;//軟件定時(shí)器的計(jì)數(shù)器
      　　　　void (*func)(void);//超時(shí)后相應(yīng)的處理功能函數(shù)指針
      　　}SoftTimer_t;
      　?、?bTimerSt成員： 用于描述軟件定時(shí)器的狀態(tài)。它有2種狀態(tài)：
      　　◆ Timer_START——開始軟件定時(shí)器;
      　　◆ Timer_STOP——停止軟件定時(shí)器。
      　?、?TimerCtn成員： 用于描述軟件定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間。它是一個(gè)32位的計(jì)數(shù)器，硬件定時(shí)的基準(zhǔn)時(shí)間為20 ms（建議設(shè)置在前后臺系統(tǒng)主程序循環(huán)1次需要的時(shí)間），因此最大定時(shí)時(shí)間為20 ms×232=85 899 345.92 s。
      　?、?func成員：
      用于描述軟件定時(shí)器超時(shí)需要去處理相應(yīng)事情的函數(shù)。該函數(shù)是在定時(shí)器中斷服務(wù)程序下運(yùn)行的，因此為了減少中斷服務(wù)程序占用CPU的時(shí)間，函數(shù)只作簡單的狀態(tài)設(shè)置或者清除工作，如函數(shù)Clear_Uart1TxbStBuf。
      　　void Clear_Uart1TxbStBuf(void){
      　　　　Uart1Tx.bStBuf = Uart1_TxBuf_Empty;//設(shè)置串口1發(fā)送緩沖區(qū)為空
      　　　　……
      　　}
      3.1.3  串口1數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)機(jī)
      　　串口1發(fā)送緩沖區(qū)的成員bStBuf有3種狀態(tài)。
      　　① Uart1_TxBuf_Rdy： 串口1發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。
      　　② Uart1_TxBuf_Wait： 串口1發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)等待。
      　?、?Uart1_TxBuf_Empty： 串口1發(fā)送緩沖區(qū)空。
      　　3種狀態(tài)的轉(zhuǎn)移情況如圖3所示。

圖3  串口1的發(fā)送緩沖區(qū)狀態(tài)機(jī)[!--empirenews.page--]
      　　當(dāng)串口1發(fā)送緩沖區(qū)在Uart1_TxBuf_Rdy狀態(tài)下時(shí)，軟件可以向串口的發(fā)送緩沖區(qū)中寫入數(shù)據(jù)。寫入數(shù)據(jù)后，串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)將轉(zhuǎn)移到Uart1_TxBuf_Rdy。
      　　在將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)拷貝到串口1發(fā)送緩沖區(qū)后，開啟串口1的發(fā)送中斷，軟件將進(jìn)入串口1的發(fā)送中斷服務(wù)程序。這個(gè)中斷服務(wù)程序?qū)z測串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)。如果狀態(tài)為Uart1_TxBuf_Rdy，則說明串口1發(fā)送緩沖區(qū)中有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，這時(shí)串口1緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)通過串口1的發(fā)送中斷把所有的數(shù)據(jù)發(fā)送給GSM Modem。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)將轉(zhuǎn)移到Uart1_TxBuf_Wait狀態(tài)，否則，將維持當(dāng)前的狀態(tài)。
      　　當(dāng)串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)在Uart1_TxBuf_Wait狀態(tài)時(shí)，它可以有兩條路徑讓串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到Uart1_TxBuf_Empty：
      　　其一是串口1軟件定時(shí)器超時(shí)。
      　　其二是相應(yīng)的條件成立。如發(fā)送端消息，當(dāng)軟件從串口1的接收緩沖區(qū)中解析出“+CMGSn（1≤n≤255）”信息或者發(fā)送失敗的信息時(shí)，串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)將轉(zhuǎn)移到Uart1_TxBuf_Empty狀態(tài)，同時(shí)停止串口1軟件定時(shí)器；讀短消息收到“+CMGR……”信息。
      3.2  短信數(shù)據(jù)的發(fā)送
      　　如圖2所示，需要通過串口1發(fā)送的數(shù)據(jù)包括：
      讀取/刪除短信數(shù)據(jù)、下行功率查詢數(shù)據(jù)、信源信息查詢數(shù)據(jù)、未讀短信查詢數(shù)據(jù)、短消息發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)、告警上報(bào)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。其中，讀取/刪除短信數(shù)據(jù)、下行功率查詢數(shù)據(jù)、信源信息查詢數(shù)據(jù)和未讀短信查詢數(shù)據(jù)，直接由GSM Modem處理，并作出處理結(jié)果應(yīng)答。因此，這類數(shù)據(jù)直接通過串口1發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送。
      　　而短信數(shù)據(jù)（短消息發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)、告警上報(bào)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)）發(fā)送需要兩步操作：
      先發(fā)送短信的目的電話號碼，再發(fā)送短信消息內(nèi)容。發(fā)送是否完成，與GSM
      Modem和GSM網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。因此，這類數(shù)據(jù)的發(fā)送，先將發(fā)送操作的所有數(shù)據(jù)存儲到短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，然后由軟件通過短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)，將數(shù)據(jù)通過串口1發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送GSM Modem。
      3.2.1  短信數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
      　　短信數(shù)據(jù)包括短消息發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)和告警上報(bào)發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。根據(jù)短信發(fā)送操作的兩個(gè)步驟，短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：
      　　typedef struct{
      　　　　unsigned char bStBuf;//bStBuf = SmsTx_Emty或者= SmsTx_CmdRdy或者
      = SmsTx_Dly1或者= SmsTx_DatRdy或者= SmsTx_Dly2或者= SmsTx _Wait
      　　　　unsigned char cmd_len;
      　　　　char  cmd_buf[32];
      　　　　unsigned short dat_len;
      　　　　char dat_buf[SMS_LEN+1];
      　　　　unsigned char retry_time;//重傳次數(shù)
      　　}SmsTx_t;
      　　① bStBuf成員： 用于描述短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)。
      　　② cmd_len成員： 用于描述cmd_buf中數(shù)據(jù)的長度。
      　?、?cmd_buf成員： 用于存儲短消息發(fā)送中的控制命令，如AT+CMGS=13583823789。
      　?、?dat_len成員： 用于描述存儲短消息發(fā)送中的信息體長度。
      　　⑤ dat_buf成員： 用于存儲短消息發(fā)送中的信息體。
      　?、?retry_time成員： 用于描述短消息在發(fā)送失敗時(shí)，重傳的次數(shù)。
      3.2.2  短信數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)機(jī)
      　　短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)有6種：
      　?、?SmsTx_Empty： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)空。
      　?、?SmsTx_CmdRdy： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)控制命令準(zhǔn)備好。
      　?、?SmsTx_Dly1： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)延時(shí)1。
      　?、?SmsTx_DatRdy： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)消息體準(zhǔn)備好。
      　?、?SmsTx_Dly2： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)延時(shí)2。
      　?、?SmsTx_Wait： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等待。
      　　其狀態(tài)的轉(zhuǎn)移情況如圖4所示。

圖4  短信數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)機(jī)
      　　狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)移過程通過短消息發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的發(fā)送來說明，其告警上報(bào)發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送與此相同。
      結(jié)語
      　　在整個(gè)移動(dòng)2G光纖直放站近端機(jī)的監(jiān)控軟件中，除了短消息收發(fā)處理，還包括實(shí)時(shí)采樣、實(shí)時(shí)告警上報(bào)等任務(wù)。其所有的軟件設(shè)計(jì)都采用類似于短信收發(fā)處理的狀態(tài)機(jī)、隊(duì)列和軟件定時(shí)器的設(shè)計(jì)思路，極大地提高移動(dòng)2G光纖直放站近端機(jī)監(jiān)控軟件的效率。這種在前后臺系統(tǒng)中使用狀態(tài)機(jī)、隊(duì)列和軟件定時(shí)器的設(shè)計(jì)思路，可以應(yīng)用到其他的嵌入式前后臺系統(tǒng)中，是一種值得學(xué)習(xí)、借鑒的嵌入式軟件設(shè)計(jì)思路。