微控制器程序設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)性與效率分析

謝 杰

（韶關(guān)學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，廣東 韶關(guān)512005）

本文主要是定量分析在制作一個(gè)微控制器實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)程序時(shí)，程序結(jié)構(gòu)形式和程序長(zhǎng)短分配與控制實(shí)時(shí)性的關(guān)系，從實(shí)時(shí)控制的時(shí)間角度，相對(duì)處理器而言，定義了程序的時(shí)間效率，從實(shí)時(shí)效率角度揭示和度量了程序的時(shí)間可擴(kuò)展性.

1 實(shí)時(shí)程序的幾個(gè)時(shí)間定義

在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，程序的目的就是實(shí)時(shí)控制對(duì)象，這個(gè)實(shí)時(shí)控制時(shí)間設(shè)為,由控制對(duì)象決定，實(shí)時(shí)程序的執(zhí)行時(shí)間與程序的實(shí)時(shí)控制時(shí)間是相等的，程序的執(zhí)行過(guò)程就是控制過(guò)程，因此程序的執(zhí)行時(shí)間也為T(mén).

程序由指令構(gòu)成，程序的執(zhí)行時(shí)間取決于程序的指令速度與程序的長(zhǎng)度，有些處理器指令速度是一樣的，如ARM系列等，有些處理器指令速度是不一樣的，如51系列［1］，AVR系列［2］.定義概念，程序的平均指令周期TZ，程序的運(yùn)行長(zhǎng)度為n，n包含程序中循環(huán)過(guò)程，子程序過(guò)程，中斷過(guò)程，根據(jù)上面分析可得表達(dá)式（1）.

程序的執(zhí)行時(shí)間等于程序的指令長(zhǎng)度乘以平均指令周期.在表達(dá)式1中可以發(fā)現(xiàn)程序?qū)懙迷蕉蹋瑢?shí)時(shí)控制時(shí)間越短.從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)控制時(shí)間存在最小值.由于實(shí)時(shí)控制時(shí)間是固定的，那么實(shí)時(shí)控制程序的執(zhí)行時(shí)間T也是固定的，微處理器的指令平均周期TZ也是固定的，由表達(dá)式（1）可知，實(shí)時(shí)控制程序的指令長(zhǎng)度n也是固定的.

程序可分為兩類(lèi)作用的指令，一類(lèi)指令用來(lái)實(shí)現(xiàn)控制邏輯的指令，這一類(lèi)指令程序段的運(yùn)行時(shí)間設(shè)為T(mén)L，另一類(lèi)指令用來(lái)保證實(shí)時(shí)控制時(shí)間而加入的延時(shí)指令，這類(lèi)指令構(gòu)成的程序段的運(yùn)行時(shí)間設(shè)為T(mén)L,這樣程序的執(zhí)行時(shí)間可表示為表達(dá)式（2）.

從表達(dá)式（2）中，程序的控制邏輯過(guò)程越短，需要延時(shí)的時(shí)間就越長(zhǎng)，也就是說(shuō)微處理器的剩余時(shí)間越多，反過(guò)來(lái)，程序的控制邏輯過(guò)程時(shí)間TL必須小于實(shí)時(shí)控制時(shí)間T，既要滿(mǎn)足表達(dá)式(3)，否則控制超時(shí)，程序就失去了控制意義.

根據(jù)表達(dá)式（1）可得：

表達(dá)式（4）表明實(shí)時(shí)控制時(shí)間固定的程序，那么程序的的運(yùn)行長(zhǎng)度也是固定的.

表達(dá)（1）代入表達(dá)式（2）可得表達(dá)式（5）.

表達(dá)式（5）中，TLZ為算術(shù)邏輯運(yùn)算及控制指令平均周期，TYZ為延時(shí)指令平均周期.有些微處理器的指令周期是相等的，指令周期不相同的微處理器的大多數(shù)指令是單周期或者雙周期指令，在程序比較長(zhǎng)的時(shí)候，根據(jù)概率可以認(rèn)為指令周期是相等的［6］，表達(dá)事（5）可變成表達(dá)式（6）.

表達(dá)式（6）表明延時(shí)程序長(zhǎng)度nY與控制邏輯程序nL之和是固定的，控制邏輯程序越短，延時(shí)程序就越長(zhǎng).同樣，控制邏輯程序長(zhǎng)度不能大于實(shí)時(shí)程序的固定長(zhǎng)度，表達(dá)式（7），否則就失去了控制意義.

在編寫(xiě)實(shí)時(shí)控制程序之前，上面七個(gè)表達(dá)式可以對(duì)程序的長(zhǎng)度和時(shí)間起到估算作用.

2 實(shí)時(shí)控制程序效率與時(shí)間擴(kuò)展性分析

在實(shí)時(shí)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，邏輯控制指令程序時(shí)間TL代表微處理器對(duì)控制對(duì)象的處理時(shí)間，延時(shí)指令程序時(shí)間TY表示微處理器的空閑時(shí)間，這樣就可以定義微處理器在時(shí)間上的控制效率ηT，表達(dá)式如下.

表達(dá)式（8）表明了效率越高，微處理器的空閑時(shí)間就越多，控制對(duì)象占有微處理器的時(shí)間資源就越少，同時(shí)，邏輯控制時(shí)間越短，程序的效率就越高.根據(jù)表達(dá)式（6），表達(dá)式（8）可變成表達(dá)式（9）.

表達(dá)式（9）表明了程序的時(shí)間效率等于延時(shí)程序長(zhǎng)度除以實(shí)時(shí)控制程序的固定長(zhǎng)度，邏輯控制程序段越短程序的效率就越高.定義實(shí)時(shí)控制程序的空閑時(shí)間與處理時(shí)間的比值K為擴(kuò)展度，可得表達(dá)式（10）如下.

表達(dá)式（10）表明了微處理器在時(shí)間上還可以再控制K個(gè)同等的對(duì)象，給出了微處理器的具體時(shí)間擴(kuò)展程度，也衡量的設(shè)計(jì)者的程序設(shè)計(jì)能力，可擴(kuò)展度數(shù)值越大，表明設(shè)計(jì)者程序編寫(xiě)能力越強(qiáng).

3 微處理器的程序方式與有關(guān)定義

微處理機(jī)提供的程序運(yùn)行方式都可以歸結(jié)見(jiàn)圖1，圖中的箭頭表示程序流程，當(dāng)程序初始化后進(jìn)入主程序，主程序是一個(gè)循環(huán)程序，在主程序中可能產(chǎn)生的斷點(diǎn)是子程序、各種中斷程序，子程序產(chǎn)生的斷點(diǎn)是預(yù)先可知的，中斷程序產(chǎn)生的斷點(diǎn)是隨機(jī)的，不同的微處理器中斷個(gè)數(shù)是不一樣的，所有實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行方式都是一樣的,包括帶實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)［3］.

可以認(rèn)為凡是要重復(fù)運(yùn)行的程序稱(chēng)為循環(huán)程序，那么微處理器提供的程序運(yùn)行方式都是是循環(huán)程序，主程序和定時(shí)中斷程序都可以看作是循環(huán)程序，外中斷程序可以看作是周期比較長(zhǎng)的循環(huán)程序，因?yàn)樗请S機(jī)的程序，它的循環(huán)周期是可變的，一次性運(yùn)行的程序，可以看作是循環(huán)一次的循環(huán)程序.原則上微處理器運(yùn)行的程序都可以歸結(jié)為循環(huán)程序.

絕大多數(shù)微處理器是單線(xiàn)程工作，各種程序不可能同時(shí)運(yùn)行，因此每個(gè)功能程序運(yùn)行有先有后［4-5］.

圖1 微處理器程序結(jié)構(gòu)圖

一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)常常包含著多個(gè)功能模塊，不同的程序方式一般對(duì)應(yīng)著不同的功能模塊，每個(gè)功能模塊都有自己固定的實(shí)時(shí)控制時(shí)間.每個(gè)功能模塊程序的運(yùn)行時(shí)間就是它們循環(huán)的時(shí)間，用T功能模塊表示，由于程序的運(yùn)行過(guò)程代表著控制過(guò)程，那么功能模塊的實(shí)時(shí)控制時(shí)間也是T功能模塊，事實(shí)上,由表達(dá)式(1)可知，時(shí)間與功能模塊程序的長(zhǎng)度有關(guān)，用n功能模塊表示功能模塊程序長(zhǎng)度，整個(gè)系統(tǒng)的綜合實(shí)時(shí)性反應(yīng)時(shí)間用T表示.

4 微處理器實(shí)時(shí)程序分析

在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，一般由多個(gè)功能模塊組成，建立一個(gè)多模塊控制系統(tǒng)模型，根據(jù)圖1，可是功能模塊主程序?yàn)锳，其它中斷模塊依次為B、C、D、E、F，也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)程序由這幾部分組成，當(dāng)然根據(jù)實(shí)際要求和微處理器程序結(jié)構(gòu)模塊可多可少,可以擴(kuò)展到n個(gè)功能模塊，本文只選擇了6個(gè).

功能模塊程序中也可分為兩類(lèi)指令，一類(lèi)是完成功能控制指令，另一類(lèi)是為了滿(mǎn)足時(shí)序的延時(shí)指令.設(shè)這兩類(lèi)指令時(shí)間分別用 T功能模塊L、T功能模塊Y表示.

根據(jù)圖1提供的程序結(jié)構(gòu)模型，如前所述，程序功能模塊依次為A、B、C、D、E、F.不同模塊控制的對(duì)象實(shí)時(shí)性要求不一樣，因此不同模塊有不同模塊的實(shí)時(shí)時(shí)間.用N表示模塊A、B、C、D、E、F，根據(jù)(6)表達(dá)式可得：

每個(gè)模塊都有不同的實(shí)時(shí)控制時(shí)間，但是整個(gè)程序是由每個(gè)功能模塊組成的一個(gè)整體，因此程序的效率要從整體上來(lái)分析.

每個(gè)功能模塊程序可分為邏輯運(yùn)算控制和延時(shí)等待兩部分時(shí)間，單片機(jī)是單線(xiàn)程工作的，有可能在A模塊的等待時(shí)間里面運(yùn)行B模塊的邏輯運(yùn)算控制工作，同樣的道理，在B模塊延時(shí)等待的時(shí)間里，運(yùn)行C模塊的邏輯運(yùn)算控制指令，也就是說(shuō)，A模塊運(yùn)行時(shí)間包含B模塊運(yùn)行時(shí)間，B模塊運(yùn)行時(shí)間包含C模塊運(yùn)行時(shí)間，得出結(jié)論，程序運(yùn)行的方式是包含，實(shí)時(shí)控制時(shí)間最長(zhǎng)的功能模塊程序運(yùn)行，包含了其它所有功能模塊程序的運(yùn)行，因此整個(gè)程序的的執(zhí)行時(shí)間T不等于各功能模塊運(yùn)行時(shí)間之和,即:

由于包含關(guān)系，整個(gè)程序的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)該是功能模塊中運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的，也就是實(shí)時(shí)控制周期最長(zhǎng)的那一個(gè)模塊的時(shí)間，這個(gè)模塊也是整個(gè)系統(tǒng)的程序的運(yùn)行時(shí)間，即可列如下表達(dá)式：

由于系統(tǒng)中程序運(yùn)行的包含性，系統(tǒng)模塊的運(yùn)行時(shí)間包含了每個(gè)功能模塊的邏輯控制處理部分TNL，為了保證程序的實(shí)時(shí)性，各功能模塊實(shí)現(xiàn)邏輯控制的處理時(shí)間之和必須小于等于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制時(shí)間，可列得表達(dá)式（12）如下.

根據(jù)表達(dá)式（1）表達(dá)式（5），表達(dá)式（14）可變成表達(dá)式（15）:

表達(dá)式（14）表明各模塊實(shí)現(xiàn)邏輯控制的程序段運(yùn)行時(shí)間之和受限于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制時(shí)間，也就是功能模塊中實(shí)時(shí)時(shí)間最長(zhǎng)的時(shí)間，程序設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)模塊時(shí)間用多了，其它模塊的時(shí)間就少了.表達(dá)式（13）表明了一個(gè)模塊程序設(shè)計(jì)長(zhǎng)了，其它模塊程序就必須設(shè)計(jì)短一些，所有模塊的程序時(shí)間之和必須小于總時(shí)間或者說(shuō)模塊程序長(zhǎng)度之和必須小于等于固定的總長(zhǎng)n.

根據(jù)(13)表達(dá)式，（14）表達(dá)式可寫(xiě)成（14）表達(dá)式如下.

根據(jù)表達(dá)式(1)和表達(dá)式（6），表達(dá)式（15）可表示為表達(dá)式（17）

（17）式表明模塊中，實(shí)時(shí)控制最長(zhǎng)的時(shí)間必須大于等于各功能模塊算術(shù)邏輯運(yùn)算控制指令時(shí)間之和.

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序邏輯控制的指令時(shí)間是每個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)邏輯控制指令時(shí)間之和.

程序的延時(shí)指令時(shí)間是根據(jù)由程序效率定義可得表達(dá)式:TY=max(TA,TB,TC,TD,TE,TF)-TL

表達(dá)式（18）反映出實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的效率與各功能模塊實(shí)現(xiàn)邏輯控制的程序時(shí)間之和有關(guān)，和的時(shí)間越小，效率越高，微處理器的空閑時(shí)間就越長(zhǎng)，時(shí)間的擴(kuò)展性就越好.

根據(jù)表達(dá)式（1）和表達(dá)（6），表達(dá)試（20）可寫(xiě)成表達(dá)式（21）.

根據(jù)表達(dá)式（11）和表達(dá)式（16），表達(dá)式（19）可以寫(xiě)成表達(dá)式（20）.

表達(dá)式(21)實(shí)時(shí)控制程序的效率與各功能模塊的邏輯控制程序長(zhǎng)度有關(guān)，各功能模塊的邏輯控制程序長(zhǎng)度之和越短，程序的效率就越高.表達(dá)式（19）可以估算程序設(shè)計(jì)之前每個(gè)功能模塊可以分配的程序長(zhǎng)度.

同樣，在實(shí)時(shí)程序完成之后評(píng)估程序的時(shí)間可擴(kuò)展性，根據(jù)表達(dá)式（10）和表達(dá)式（18）可寫(xiě)出多模塊實(shí)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間可擴(kuò)展度表達(dá)式（22）和表達(dá)式（23）.

表達(dá)式（22）和（23）說(shuō)明程序的時(shí)間可擴(kuò)展度與程序的控制邏輯部分時(shí)間或者實(shí)現(xiàn)邏輯控制的程序長(zhǎng)度之和有關(guān)，反過(guò)來(lái)說(shuō)，在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，邏輯控制程序?qū)懙迷蕉?，程序的擴(kuò)展度越高，K的數(shù)值表示微處理器控制的實(shí)時(shí)系統(tǒng)還可以擴(kuò)展同樣系統(tǒng)的個(gè)數(shù).

5 時(shí)間計(jì)算與效率的意義

以上分析主要用于微處理器實(shí)時(shí)程序設(shè)計(jì)之前的程序長(zhǎng)度計(jì)算或者估算，以及各功能模塊的時(shí)間分配與程序長(zhǎng)度的分配，避免花了大量時(shí)間編寫(xiě)實(shí)施控制程序之后不滿(mǎn)足時(shí)間控制條件，導(dǎo)至必須推倒重來(lái)的困境.

可擴(kuò)展度的建立，度量了設(shè)計(jì)程序的時(shí)間可擴(kuò)展性，衡量了一個(gè)設(shè)計(jì)程序在時(shí)間上的優(yōu)劣性，衡量了程序設(shè)計(jì)者的一個(gè)設(shè)計(jì)方面的能力，度量了各種微處理器的時(shí)間處理能力，通過(guò)時(shí)間度量來(lái)選擇合適的微處理器.

［1］李群芳，肖看，張士軍，單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)［M］.4版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

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［4］ATMEL 公司.ATmege 系列 User Manual［EB/OL］.［2012-05-22］.http://www.atmel.com.

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