狀態(tài)機在嵌入式前后臺軟件系統中的應用

在嵌入式前后臺系統中，外部的異步事件通過(guò)中斷來(lái)捕獲并運行在后臺，而其他的任務(wù)則運行于前臺。提高系統中的任務(wù)處理能力，是嵌入式前后臺系統設計的重點(diǎn)。本文描述了利用狀態(tài)機來(lái)提高嵌入式前后臺系統任務(wù)處理能力的實(shí)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中的應用，本文將以移動(dòng)2G光纖直放站近端機的監控軟件案例來(lái)闡述和說(shuō)明。

1 移動(dòng)2G光纖直放站近端機監控單元

對于移動(dòng)2G光纖直放站近端機監控單元，只介紹與本文有關(guān)部分的原理框圖，如圖1所示。圖中GSMModem通過(guò)AT91SAM7S256的串口1相連。由于GSMModem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(shí)，需要向Modem發(fā)送“AT+CMGS=電話(huà)號碼”并等待一定的時(shí)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(shí)間長(cháng)短不定。

圖1 直放站近端機監控單元

　　在移動(dòng)2G光纖直放站近端機中，通過(guò)串口1發(fā)送到GSMModem的數據不僅僅是短消息，還包括下行功率查詢(xún)、信源信息查詢(xún)、讀取/刪除短消息等。因此，針對移動(dòng)2G光纖直放站近端機監控單元的要求和軟件系統為前后臺系統的特點(diǎn)，移動(dòng)2G光纖直放站近端機監控單元的監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的特點(diǎn)，結合移動(dòng)2G光纖直放站近端機的硬件結構，以移動(dòng)2G光纖直放站近端機的監控軟件中的短消息收發(fā)子系統為例，來(lái)闡述軟件的設計思路。GSMModem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，GSMModem主動(dòng)上報的信息將存儲到串口1接收緩沖區中，軟件從串口1接收緩沖區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1~n）中，然后軟件通過(guò)短信序號隊列的狀態(tài)來(lái)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，GSMModem將對應序號的短信息送出，數據將存儲到串口1接收緩沖區中，軟件再從串口1接收緩沖區的數據中解析出短消存儲到短信隊列（短信緩沖區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GSMModem的數據，則通過(guò)UART1發(fā)送緩沖區來(lái)完成。具體發(fā)送哪些數據（讀取/刪除短信、下行功率查詢(xún)、信源信息查詢(xún)、未讀短信查詢(xún)）或者緩沖區的數據（短消息發(fā)送緩沖區、告警上報發(fā)送緩沖區）由軟件根據相應的狀態(tài)來(lái)選擇確定。

3 設計思路的實(shí)現

3.1 串口1數據的發(fā)送

3.1.1 串口1發(fā)送緩沖區的數據結構

　　串口1是否有數據需要發(fā)送，由串口1的發(fā)送緩沖區的狀態(tài)來(lái)決定。串口1發(fā)送緩沖區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;

① bStBuf成員： 串口1發(fā)送緩沖區的狀態(tài)。
② Index成員： 串口1發(fā)送數據緩沖區索引。
③ Len成員： 串口1發(fā)送數據緩沖區中有效數據的長(cháng)度。
④ Buf成員： 串口1發(fā)送數據緩沖區。

3.1.2 串口1發(fā)送緩沖區軟件定時(shí)器

　　由于GSM Modem的特性致使串口1不能不間斷地發(fā)送數據，因此，對串口1的數據發(fā)送設定一個(gè)軟件定時(shí)器。軟件定時(shí)器用于控制GSMModem是否可以接收來(lái)自串口1的新數據。軟件定時(shí)器的結構定義如下：

　　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)器的計數器
　　　　void (*func)(void);//超時(shí)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(shí)器的狀態(tài)。它有2種狀態(tài)：
　◆ Timer_START——開(kāi)始軟件定時(shí)器;
◆ Timer_STOP——停止軟件定時(shí)器。

② 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位的計數器，硬件定時(shí)的基準時(shí)間為20ms（建議設置在前后臺系統主程序循環(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)需要去處理相應事情的函數。該函數是在定時(shí)器中斷服務(wù)程序下運行的，因此為了減少中斷服務(wù)程序占用CPU的時(shí)間，函數只作簡(jiǎn)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)送緩沖區的成員bStBuf有3種狀態(tài)。

　?、?Uart1_TxBuf_Rdy： 串口1發(fā)送緩沖區數據準備好。
② Uart1_TxBuf_Wait： 串口1發(fā)送緩沖區數據等待。
?、?Uart1_TxBuf_Empty： 串口1發(fā)送緩沖區空。

　　3種狀態(tài)的轉移情況如圖3所示。

圖3 串口1的發(fā)送緩沖區狀態(tài)機

　　當串口1發(fā)送緩沖區在Uart1_TxBuf_Rdy狀態(tài)下時(shí)，軟件可以向串口的發(fā)送緩沖區中寫(xiě)入數據。寫(xiě)入數據后，串口1發(fā)送緩沖區的狀態(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)送緩沖區后，開(kāi)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)程序將檢測串口1發(fā)送緩沖區的狀態(tài)。如果狀態(tài)為Uart1_TxBuf_Rdy，則說(shuō)明串口1發(fā)送緩沖區中有數據需要發(fā)送，這時(shí)串口1緩沖區的數據通過(guò)串口1的發(fā)送中斷把所有的數據發(fā)送給GSMModem。當數據發(fā)送完畢后，串口1發(fā)送緩沖區的狀態(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)送緩沖區的狀態(tài)轉移到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)送緩沖區的狀態(tài)將轉移到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 短信數據的發(fā)送

如圖2所示，需要通過(guò)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(xún)數據、信源信息查詢(xún)數據、未讀短信查詢(xún)數據、短消息發(fā)送緩沖區數據、告警上報發(fā)送緩沖區數據。其中，讀取/刪除短信數據、下行功率查詢(xún)數據、信源信息查詢(xún)數據和未讀短信查詢(xún)數據，直接由GSM Modem處理，并作出處理結果應答。因此，這類(lèi)數據直接通過(guò)串口1發(fā)送緩沖區發(fā)送。

而短信數據（短消息發(fā)送緩沖區數據、告警上報發(fā)送緩沖區數據）發(fā)送需要兩步操作：

先發(fā)送短信的目的電話(huà)號碼，再發(fā)送短信消息內容。發(fā)送是否完成，與GSMModem和GSM網(wǎng)絡(luò )有關(guān)。因此，這類(lèi)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中，然后由軟件通過(guò)短信數據緩沖區的狀態(tài)，將數據通過(guò)串口1發(fā)送緩沖區發(fā)送給GSMModem。

3.2.1 短信數據結構

短信數據包括短消息發(fā)送緩沖區數據和告警上報發(fā)送緩沖區數據。根據短信發(fā)送操作的兩個(gè)步驟，短信數據緩沖區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的狀態(tài)。
② cmd_len成員： 用于描述cmd_buf中數據的長(cháng)度。
③ 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(cháng)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。

3.2.2 短信數據發(fā)送狀態(tài)機

短信數據緩沖區的狀態(tài)有6種：

① SmsTx_Empty： 短信數據緩沖區空。
② SmsTx_CmdRdy： 短信數據緩沖區控制命令準備好。
③ SmsTx_Dly1： 短信數據緩沖區延時(shí)1。
④ SmsTx_DatRdy： 短信數據緩沖區消息體準備好。
⑤ SmsTx_Dly2： 短信數據緩沖區延時(shí)2。
?、?SmsTx_Wait： 短信數據緩沖區等待。

　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(guò)程通過(guò)短消息發(fā)送緩沖區數據的發(fā)送來(lái)說(shuō)明，其告警上報發(fā)送緩沖區的數據發(fā)送與此相同。

結語(yǔ)

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