環(huán)形緩沖器在頻發(fā)事件中的應用

　　引 言

　　單片機的應用越來越廣泛，而實際應用中對單片機的要求也越來越高。人們總是希望單片機成本盡可能的低，功耗盡可能的低，處理能力又要盡可能的強。這三者是相互矛盾的。

　　在設計具體產(chǎn)品前，一般是根據(jù)成本和估計的處理能力，先選中一款單片機，接下來的軟件工作就是利用各種技巧，讓單片機能夠應付多項任務和多個進程而不發(fā)生沖突。使用實時操作系統(tǒng)可以很容易地避免這些沖突，但實時操作系統(tǒng)因程序代碼過大常讓人不敢問津。

　　對于不使用實時操作系統(tǒng)的前后臺模式的程序，解決時間沖突或任務沖突的方式有很多，常用的有：任務的時間片穿插、信號量或標志位的使用、數(shù)據(jù)緩沖等等。數(shù)據(jù)緩沖方式一般有硬件上的F／F緩沖和軟件上的環(huán)形緩沖兩種方式。軟件環(huán)形緩沖器按實際需要，又可做成單向或雙向兩種操作方式。環(huán)形緩沖的方式非常適合高頻率發(fā)生事件的處理。

　　1 環(huán)形緩沖器的操作

　　軟件環(huán)形緩沖器，因為要通過定義數(shù)組在內存中開辟數(shù)據(jù)空間，所以也常稱之為“環(huán)形緩沖區(qū)”。還要定義兩個指針：一個數(shù)據(jù)寫入指針PtrIn，用來指向下一次數(shù)據(jù)寫入的地址；另一個是數(shù)據(jù)讀出指針PtrOut，指向下一次讀出數(shù)據(jù)的地址，如圖1所示。

　　數(shù)據(jù)隊列中若沒有必須緊急處理的事件，環(huán)形緩沖器就只考慮單向操作。

　　1．1 環(huán)形緩沖器的單向操作

　　所謂“單向操作”，是指環(huán)形緩沖器中的數(shù)據(jù)總是從前面讀出，在最后追加。創(chuàng)建緩沖器時，寫入指針PtrIn和讀出指針PtrOut都初始化到緩沖器的起點BUF＿BE-GIN，即數(shù)組的第一個地址空間。寫入數(shù)據(jù)后，兩指針不再指向同一地址。隨著數(shù)據(jù)的不斷寫入，寫入指針可能會追上讀出指針，兩個指針再次指向同一地址。兩指針指向同一地址時，如何判斷緩沖區(qū)是滿還是空呢?有兩個常用的方法：一個方法是不讓寫入指針追上讀出指針。當寫入指針追上讀出指針時，讓寫入指針再后退一個地址，先寫入的數(shù)據(jù)也就無效了。顯然，這樣緩沖器中實際可使用的最大空間比定義的空間要少一個。當緩沖空間的數(shù)據(jù)是多字節(jié)的結構變量時，這個方法會浪費太多空間。另一個方法是增加一個緩沖區(qū)滿標志變量，此變量若為真，表示兩指針相同時，緩沖器數(shù)據(jù)是滿的，否則緩沖器為空。還有一個不太常用的方法，是利用數(shù)據(jù)是否有效的辦法，詳見本文第2部分。

　　讀出指針是可以追上寫入指針的。這時緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)被讀空。下面以16個字空間為例給出操作程序：

　　開辟空間

　　1．2 環(huán)形緩沖器的雙向操作

　　如果環(huán)形緩沖器中有必須優(yōu)先處理的數(shù)據(jù)，就要把這樣的數(shù)據(jù)寫到緩沖器的開頭，即讓讀出指針PtrOut后退一個空間，把數(shù)據(jù)寫入。這也叫“后入先出”數(shù)據(jù)操作。前面提到的寫入方式又叫先入先出數(shù)據(jù)操作。下面再給出后入先出的寫入程序：

　　一個環(huán)形緩沖器，有了以上這3段操作程序，就成了可以雙向操作的環(huán)形緩沖器。

　　2 環(huán)形緩沖在二維步進電機控制中的應用

　　二維數(shù)控機床有X方向和Y方向兩個步進電機，單片機要控制這兩個步進電機共同攜帶的刀具走出預定的曲線，有以下4項任務：

　　①計算出下一步，是僅X方向(或僅Y方向)的步進電機走一步，還是X、Y方向的步進電機同時走一步。
　?、诳刂苾蓚€步進電機盡量以恒轉矩加減速，防止失步。
　?、垭S時接收來自鍵盤的動作指令。
　　④在圖形LCD上顯示X和Y方向路線圖。

　　兩個步進電機以最高速度運轉時，都是333μs走一步，實時性又很強，可采用兩個環(huán)形緩沖器，來解決時間矛盾：一個是有16個字節(jié)空間的環(huán)形緩沖器，來暫存鍵盤發(fā)來的鍵碼，因為有緊急停止按鍵功能，所以雙向操作；另一個是驅動步進電機的數(shù)據(jù)，用一個有16個空間的環(huán)形緩沖器，單向操作。主程序中計算步進電機相位、一步時間和走線方向，寫入環(huán)形緩沖器。定時中斷程序中讀出緩沖器，輸出數(shù)據(jù)到端口，并重置定時器。

　　啟動步進電機前，首先填滿緩沖器，再啟動第一步。啟動步進電機后，程序流程如圖2所示。

　　驅動步進電機除了需要相位數(shù)據(jù)外，還要每一步的定時時間。緩沖器中的數(shù)據(jù)格式應為結構類型。為便于單指令操作，沒有采用結構類型數(shù)據(jù)，而是用了地址相差32個字節(jié)的兩個環(huán)形緩沖器，這樣可以用一對指針進行同步操作。若輸出指針PtrOut指向相位緩沖器中某一相位輸出數(shù)據(jù)，則地址PtrOut+32就指向時間緩沖器中步進電機這一步所需要的時間。

　　步進電機正常運轉時，每步時間不能為O，以此判斷緩沖器內數(shù)據(jù)是否有效，省去了緩沖器滿變量。同時相位緩沖器的16個字數(shù)據(jù)，定位在二進制(XXXX XXXXXX00 0000B)到(XXXX XXXX XX01 1111B)的字節(jié)空間，地址越界的處理變成了簡單地把位5清零。這些方法都加快了緩沖器的操作。

　　采用帶HSIO功能的80C196系列單片機，把HSIO做成軟件定時器工作模式。使用16 MHz的晶振時，匯編中斷程序的執(zhí)行時間不到10μs。

　　結 語

　　環(huán)形緩沖器把數(shù)據(jù)集中處理，這樣就把多個短的時間段組織成了一個較長的時間段。在本例中，步進電機以最高速度運轉時，把16個緩沖空間填滿，就把333μs匯集成了5 ms多的一個時間段。在這段時間里環(huán)形緩沖器不會被讀空，所以這段時間主程序不必過問步進電機，可以去處理其他任務，只要在不超過5 ms的時間里，回頭再填滿緩沖器，就絲毫不影響步進電機的流暢運轉。增加環(huán)形緩沖器空間的個數(shù)，可以得到更長的時間段。這種方式還可應用于變頻調速的數(shù)據(jù)輸出、鍵盤碼緩沖，以及串口的、高速連續(xù)收發(fā)的程序中。開發(fā)工作都有很大的借鑒作用。