狀態(tài)機在嵌入式系統(tǒng)中的應用

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行在后臺，而其他的任務則運行于前臺。提高系統(tǒng)中的任務處理能力，是嵌入式前后臺系統(tǒng)設計的重點。本文描述了利用狀態(tài)機來提高嵌入式前后臺系統(tǒng)任務處理能力的實現方法。為了便于研究和描述狀態(tài)機在嵌入式前后臺軟件系統(tǒng)中的應用，本文將以移動2G光纖直放站近端機的監(jiān)控軟件案例來闡述和說明。

　　1 移動2G光纖直放站近端機監(jiān)控單元

　　對于移動2G光纖直放站近端機監(jiān)控單元，只介紹與本文有關部分的原理框圖，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雜。例如，發(fā)送短消息時，需要向Modem發(fā)送“AT+CMGS=電話號碼”并等待一定的時間，再發(fā)送短消息內容，等待發(fā)送成功。短消息發(fā)送成功后，GSM

　　Modem將回應“+CMGS序號”的信息。其發(fā)送需要等待的時間長短不定。

　　

 

　　圖1 直放站近端機監(jiān)控單元

　　在移動2G光纖直放站近端機中，通過串口1發(fā)送到GSM

　　Modem的數據不僅僅是短消息，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2G光纖直放站近端機監(jiān)控單元的要求和軟件系統(tǒng)為前后臺系統(tǒng)的特點，移動2G光纖直放站近端機監(jiān)控單元的監(jiān)控軟件設計采用了狀態(tài)機和隊列的方式。

　　2 軟件的設計思路

　　根據前后臺軟件系統(tǒng)的特點，結合移動2G光纖直放站近端機的硬件結構，以移動2G光纖直放站近端機的監(jiān)控軟件中的短消息收發(fā)子系統(tǒng)為例，來闡述軟件的設計思路。GSM

　　Modem的短消息接收采用軟件主動讀取的方式，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主動上報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)的數據中解析出短信序號(Modem收到的短消息在Modem中的存儲序號)存儲到短信序號隊列(短信序號緩沖區(qū)1~n)中，然后軟件通過短信序號隊列的狀態(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。

　　當軟件發(fā)送讀短消息命令后，GSM

　　Modem將對應序號的短信息送出，數據將存儲到串口1接收緩沖區(qū)中，軟件再從串口1接收緩沖區(qū)的數據中解析出短消存儲到短信隊列(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[!--empirenews.page--]2.2 短消息的發(fā)送

 

　　對所有需要發(fā)送到GSM

　　Modem的數據，則通過UART1發(fā)送緩沖區(qū)來完成。具體發(fā)送哪些數據(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)的數據(短消息發(fā)送緩沖區(qū)、告警上報發(fā)送緩沖區(qū))由軟件根據相應的狀態(tài)來選擇確定。

　　3 設計思路的實現

　　3.1 串口1數據的發(fā)送

　　3.1.1 串口1發(fā)送緩沖區(qū)的數據結構

　　串口1是否有數據需要發(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)的數據結構定義如下：

　　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)送數據緩沖區(qū)索引。

　?、?Len成員： 串口1發(fā)送數據緩沖區(qū)中有效數據的長度。

　?、?Buf成員： 串口1發(fā)送數據緩沖區(qū)。

　　3.1.2 串口1發(fā)送緩沖區(qū)軟件定時器

　　由于GSM Modem的特性致使串口1不能不間斷地發(fā)送數據，因此，對串口1的數據發(fā)送設定一個軟件定時器。軟件定時器用于控制GSM

　　Modem是否可以接收來自串口1的新數據。軟件定時器的結構定義如下：

　　typedef struct{

　　unsigned char bTimerSt;//軟件定時器的狀態(tài): Timer_START或Timer_STOP

　　unsigned int TimerCtn;//軟件定時器的計數器

　　void (*func)(void);//超時后相應的處理功能函數指針

　　}SoftTimer_t;

　?、?bTimerSt成員： 用于描述軟件定時器的狀態(tài)。它有2種狀態(tài)：

　　◆ Timer_START——開始軟件定時器;

　　◆ Timer_STOP——停止軟件定時器。

　　② TimerCtn成員： 用于描述軟件定時器的定時時間。它是一個32位的計數器，硬件定時的基準時間為20

　　ms(建議設置在前后臺系統(tǒng)主程序循環(huán)1次需要的時間)，因此最大定時時間為20 ms×232=85 899 345.92 s。

　　③ func成員：

　　用于描述軟件定時器超時需要去處理相應事情的函數。該函數是在定時器中斷服務程序下運行的，因此為了減少中斷服務程序占用CPU的時間，函數只作簡單的狀態(tài)設置或者清除工作，如函數Clear_Uart1TxbStBuf。

　　void Clear_Uart1TxbStBuf(void){

　　Uart1Tx.bStBuf = Uart1_TxBuf_Empty;//設置串口1發(fā)送緩沖區(qū)為空

　　……

　　}

　　3.1.3 串口1數據發(fā)送狀態(tài)機

　　串口1發(fā)送緩沖區(qū)的成員bStBuf有3種狀態(tài)。

　?、?Uart1_TxBuf_Rdy： 串口1發(fā)送緩沖區(qū)數據準備好。

　?、?Uart1_TxBuf_Wait： 串口1發(fā)送緩沖區(qū)數據等待。

　?、?Uart1_TxBuf_Empty： 串口1發(fā)送緩沖區(qū)空。

　　3種狀態(tài)的轉移情況如圖3所示。

　　

 

　　圖3 串口1的發(fā)送緩沖區(qū)狀態(tài)機

　　當串口1發(fā)送緩沖區(qū)在Uart1_TxBuf_Rdy狀態(tài)下時，軟件可以向串口的發(fā)送緩沖區(qū)中寫入數據。寫入數據后，串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)將轉移到Uart1_TxBuf_Rdy。

　　在將需要發(fā)送的數據拷貝到串口1發(fā)送緩沖區(qū)后，開啟串口1的發(fā)送中斷，軟件將進入串口1的發(fā)送中斷服務程序。這個中斷服務程序將檢測串口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)中有數據需要發(fā)送，這時串口1緩沖區(qū)的數據通過串口1的發(fā)送中斷把所有的數據發(fā)送給GSM

　　Modem。當數據發(fā)送完畢后，串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)將轉移到Uart1_TxBuf_Wait狀態(tài)，否則，將維持當前的狀態(tài)。

　　當串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)在Uart1_TxBuf_Wait狀態(tài)時，它可以有兩條路徑讓串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)轉移到Uart1_TxBuf_Empty：

　　其一是串口1軟件定時器超時。

　　其二是相應的條件成立。如發(fā)送端消息，當軟件從串口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，串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)將轉移到Uart1_TxBuf_Empty狀態(tài)，同時停止串口1軟件定時器;讀短消息收到“+CMGR……”信息。[!--empirenews.page--]3.2 短信數據的發(fā)送

 

　　如圖2所示，需要通過串口1發(fā)送的數據包括：

　　讀取/刪除短信數據、下行功率查詢數據、信源信息查詢數據、未讀短信查詢數據、短消息發(fā)送緩沖區(qū)數據、告警上報發(fā)送緩沖區(qū)數據。其中，讀取/刪除短信數據、下行功率查詢數據、信源信息查詢數據和未讀短信查詢數據，

　　直接由GSM Modem處理，并作出處理結果應答。因此，這類數據直接通過串口1發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送。

　　而短信數據(短消息發(fā)送緩沖區(qū)數據、告警上報發(fā)送緩沖區(qū)數據)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)送短信消息內容。發(fā)送是否完成，與GSM

　　Modem和GSM網絡有關。因此，這類數據的發(fā)送，先將發(fā)送操作的所有數據存儲到短信數據緩沖區(qū)中，然后由軟件通過短信數據緩沖區(qū)的狀態(tài)，將數據通過串口1發(fā)送緩沖區(qū)發(fā)送給GSM

　　Modem。

　　3.2.1 短信數據結構

　　短信數據包括短消息發(fā)送緩沖區(qū)數據和告警上報發(fā)送緩沖區(qū)數據。根據短信發(fā)送操作的兩個步驟，短信數據緩沖區(qū)的數據結構定義如下：

　　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

　　}SmsTx_t;

　?、?bStBuf成員： 用于描述短信數據緩沖區(qū)的狀態(tài)。

　?、?cmd_len成員： 用于描述cmd_buf中數據的長度。

　?、?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。

　?、?dat_buf成員： 用于存儲短消息發(fā)送中的信息體。

　　⑥ retry_time成員： 用于描述短消息在發(fā)送失敗時，重傳的次數。

　　3.2.2 短信數據發(fā)送狀態(tài)機

　　短信數據緩沖區(qū)的狀態(tài)有6種：

　?、?SmsTx_Empty： 短信數據緩沖區(qū)空。

　?、?SmsTx_CmdRdy： 短信數據緩沖區(qū)控制命令準備好。

　?、?SmsTx_Dly1： 短信數據緩沖區(qū)延時1。

　　④ SmsTx_DatRdy： 短信數據緩沖區(qū)消息體準備好。

　　⑤ SmsTx_Dly2： 短信數據緩沖區(qū)延時2。

　?、?SmsTx_Wait： 短信數據緩沖區(qū)等待。

　　其狀態(tài)的轉移情況如圖4所示。

　　

 

　　圖4 短信數據發(fā)送狀態(tài)機

　　狀態(tài)機的轉移過程通過短消息發(fā)送緩沖區(qū)數據的發(fā)送來說明，其告警上報發(fā)送緩沖區(qū)的數據發(fā)送與此相同。

　　結語

　　在整個移動2G光纖直放站近端機的監(jiān)控軟件中，除了短消息收發(fā)處理，還包括實時采樣、實時告警上報等任務。其所有的軟件設計都采用類似于短信收發(fā)處理的狀態(tài)機、隊列和軟件定時器的設計思路，極大地提高移動2G光纖直放站近端機監(jiān)控軟件的效率。這種在前后臺系統(tǒng)中使用狀態(tài)機、隊列和軟件定時器的設計思路，可以應用到其他的嵌入式前后臺系統(tǒng)中，是一種值得學習、借鑒的嵌入式軟件設計思路。