狀態(tài)機在嵌入式前后臺軟件系統(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行在后臺，而其他的任務(wù)則運行于前臺。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(wù)處理能力的實現(xiàn)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(yīng)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(guān)部分的原理框圖，如圖1所示。圖中GSMModem通過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(fù)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(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GSMModem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(shè)計采用了狀態(tài)機和隊列的方式。

2 軟件的設(shè)計思路

　　根據(jù)前后臺軟件系統(tǒng)的特點，結(jié)合移動2G光纖直放站近端機的硬件結(jié)構(gòu)，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(shè)計思路。GSMModem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，GSMModem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(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，GSMModem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

2.2 短消息的發(fā)送

　　對所有需要發(fā)送到GSMModem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)計思路的實現(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;

① bStBuf成員： 串口1發(fā)送緩沖區(qū)的狀態(tài)。
② Index成員： 串口1發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)索引。
③ 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。
④ 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)定一個軟件定時器。軟件定時器用于控制GSMModem是否可以接收來自串口1的新數(shù)據(jù)。軟件定時器的結(jié)構(gòu)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(shù)器
　　　　void (*func)(void);//超時后相應(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(shù)器，硬件定時的基準時間為20ms（建議設(shè)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(yīng)事情的函數(shù)。該函數(shù)是在定時器中斷服務(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

　　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

　　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(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，軟件將進入串口1的發(fā)送中斷服務(wù)程序。這個中斷服務(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GSMModem。當數(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(zhuǎn)移到Uart1_TxBuf_Empty：

　其一是串口1軟件定時器超時。

　其二是相應(yīng)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(zhuǎn)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。

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GSMModem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)送給GSMModem。

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)和告警上報發(fā)送緩沖區(qū)數(shù)據(jù)。根據(jù)短信發(fā)送操作的兩個步驟，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;

?、?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。
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。
　④ 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。
　⑥ retry_time成員： 用于描述短消息在發(fā)送失敗時，重傳的次數(shù)。

3.2.2 短信數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)機

短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的狀態(tài)有6種：

① SmsTx_Empty： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)空。
② SmsTx_CmdRdy： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)控制命令準備好。
③ SmsTx_Dly1： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)延時1。
④ SmsTx_DatRdy： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)消息體準備好。
⑤ SmsTx_Dly2： 短信數(shù)據(jù)緩沖區(qū)延時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

狀態(tài)機的轉(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(wù)。其所有的軟件設(shè)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(shè)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(shè)計思路，可以應(yīng)用到其他的嵌入式前后臺系統(tǒng)中，是一種值得學習、借鑒的嵌入式軟件設(shè)計思路。