摘要：在詳細分析西門子８０Ｃ１６６單片機ＰＥＣ服務工作機制和ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀格式的基礎上，提出了基于該種單片機ＰＥＣ服務機制的ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協議的實現方法，并在實際工作中得到成功應用。關鍵詞：８０Ｃ１６６ ＰＥＣ服務 ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ 當前工業設備制造技術正向高性能、專用化、分布式、網絡化方向發展。以前，大量使用ＰＬＣ實現的控制系統，實踐證明雖然安全可靠，但由于ＰＬＣ本身的技術原因，很難達到更快速的實時控制要求它們正被高性能的嵌入式專用控制器替代。這種專用控制器的設計，可以進一步提高設備的控制性能；引入現場總線技術，保證專用控制器的系統可集成性，以適應當前分布式、網絡化的應用趨勢。 本文是在研制棒材生產線飛剪的專用控制器時涉及的一個子課題。為保證該控制器能與現有ＰＬＣ網連接以及與遠程操作站通信，在幾乎不增加硬件的基礎上，利用核心ＣＰＵ——西門子８０Ｃ１６６所具有的一個類似ＤＭＡ的功能高效率地實現ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協議。 １ 西門子８０Ｃ１６６單片機 ８０Ｃ１６６單片機是西門子Ｃ１６６系列１６位嵌入式微控制器的第一代產品。其體系結構如圖１所示。它結合ＲＩＳＣ處理器的優點，克服了ＣＩＳＣ處理器在嵌入式應用中的瓶頸；在２５ＭＨｚ時鐘頻率下，可達到１２．５ＭＩＰＳ，幾乎所有的指令執行時間小于８０ｎｓ；在指令處理上，采用四級指令流水線管道結構；在存儲管理上，統一線性地址空間可達２５６ＫＢ，具有段代碼、頁數據式管理機制；采用寄存器池，上下文切換時間只要８０ｎｓ；１６位乘法４００ｎｓ，３２位除法８００ｎｓ，中斷響應時間最慢４００ｎｓ；外部事件控制器ＰＥＣ服務具有類似ＤＭＡ的功能，可實現存儲器與外設之間的高速數據傳輸；豐富的在片外設：１ＫＢ ＲＡＭ、１０路Ａ／Ｄ、７６路Ｉ／Ｏ、７個定時器／計數器、１６個比較／捕獲單元、２個串行通信接口、在片的ＷＡＴＣＨＤＯＧ等。圖1 西門子80C166體系結構２ ８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務 ２．１ ８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務機制 ＰＥＣ是外部事件控制器的英文縮寫。ＰＥＣ服務是８０Ｃ１６６提供的一種特殊數據傳輸機制。其目的是在原有的中斷控制器基礎上，用較小的硬件代價、盡可能少占用處理機周期實現內存與外部設備的快速數據交換類似ＤＭＡ，但無需專用的ＤＭＡ控制器。８０Ｃ１６６有８路ＰＥＣ服務通道。用ＰＥＣ服務進行一次數據傳輸，僅占用處理機一個機器周期２０ＭＨｚ時１００ｎｓ，且不影響當前程序的執行。 ２．２ ＰＥＣ服務的工作過程 通常，當普通中斷事件發生時，系統將保存當前ＣＰＵ狀態ＰＳＷ和程序的地址；然后，根據不同的中斷源，進行上下文切換，裝載相應的中斷矢量，執行相應的中斷服務程序；執行完后，恢復被中斷程序的上下文，繼續執行被中斷程序。 對于某一ＰＥＣ服務，它總是與一具體中斷源、中斷矢量或中斷服務相聯系。在８０Ｃ１６６中，當一個中斷的中斷優先級為最高級１４或１５且定義了與之相關聯的ＰＥＣ服務通道時，該中斷就具有ＰＥＣ服務功能。這時，當該中斷請求發生時，將不觸發中斷服務程序的執行，而是觸發ＰＥＣ服務。當ＰＥＣ服務經過設定的若干次的外部事件觸發后，再觸發執行相應的中斷服務程序(一個普通中斷過程)。如圖２所示。一次ＰＥＣ服務的工作過程是由ＰＥＣ控制寄存器定義的，其中計數位域(８位傳送計數器)ＣＯＵＮＴ定義了ＰＥＣ服務的數據傳輸次數；源指針、目的指針指明具體的數據傳輸來源和目的；ＰＥＣ服務的數據傳輸過程完全由硬件執行：當中斷請求發生時，由硬件將源指針所指單元的內容傳給目的指針所指的單元，然后由ＰＥＣ控制寄存器相應定義位控制是源指針還是目的指針增加１或２，同時ＣＯＵＮＴ值減１；當多次中斷請求使ＣＯＵＮＴ減為０時，ＰＥＣ服務完成，觸發與之關聯的中斷服務程序。 ２．３ ＰＥＣ服務應用優勢 以串口接收一幀１６字節的數據為例。若采用傳統的串口接收方式，每接收到一字節，產生一個中斷；在中斷服務程序中，要將它從串口接收緩沖器中取出，順序放到幀接收緩沖區相應單元中；當接收滿１６字節后，進行幀處理。 如果采用ＰＥＣ服務的方式，只要事先定義好ＰＥＣ通道就可以了。首先，定義串口接收中斷優先級為１４或１５以及與之相關聯的ＰＥＣ通道。即定義相應ＰＥＣ通道控制寄存器為：ＣＯＵＮＴ為１６字節傳輸，源指針為串口接收緩沖器，目的指針為幀接收緩沖區首址且每次傳輸完成后，目的指針加１。這樣，串口每接收到一字節，將觸發一次ＰＥＣ服務，由硬件將數據從串口接收緩沖器中取出，順序放到幀接收緩沖區相應單元中，但當前執行的程序并不被中斷；當１６字節完全接收完成后，觸發串口接收中斷服務程序，進行幀的處理。 與傳統的串口接收方式相比較，ＰＥＣ服務方式在進行數據傳輸時不中斷當前程序的執行，因此節省了大量的上下文切換時間，處理機效率得到大大提高。 下面討論采用８０Ｃ１６６的ＰＥＣ服務實現ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協議的方法。 ３ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀結構分析 ３．１ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ幀結構 ＰＲＯＦＩＢＵＳ幀的格式有多種形式，但對于從站來說，只要處理三種幀即可。 ．無數據且長度固定的幀： ．帶數據域且長度固定的幀: ． 帶數據域且長度可變的幀: 其中，各字段說明如下： ＳＤ１：無數據幀的開始定界符，＃１０Ｈ； ＳＤ２：可變長度幀的開始定界符，＃６８Ｈ； ＳＤ３：固定長度幀的開始定界符，＃Ａ２Ｈ； ＥＤ：結束定界符，＃１６Ｈ； ＬＥ與ＬＥｒ：ＬＥ與ＬＥｒ相同，都表示長度占一個字節，它是ＤＡ＋ＳＡ＋ＦＣ＋ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ的字節數總和； ＤＡ與ＳＡ：ＤＡ目的站地址與ＳＡ源站地址各占一個字節； ＦＣＳ：校驗段，占一個字節，它采用不計進位的求和運算得到校驗碼。校驗域為ＤＡ＋ＳＡ＋ＦＣ＋ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ； ＦＣ：幀控制字字段，占一個字節； ＳＹＮ：同步字段，至少３３空閑位(邏輯電平１)，但僅在請求幀及令牌幀前出現，不允許在字符之間出現。 ３．２ ＰＲＯＦＩＢＵＳ幀結構的特點 從上面的幀格式可以看出幀的長度不固定。發送時，幀的長度是已知的；但接收時，幀的長度是未知的。因此，要提高接收效率，只能采用分段方式接收，隨時解析和保存關鍵信息，并確定隨后接收的字節數。４ ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站協議的ＰＥＣ服務實現 ＰＲＯＦＩＢＵＳ－ＦＤＬ從站的數據接收及應答過程分三個階段完成：第一階段，幀的完整接收；第二階段，根據接收到的ＦＣ幀控制字字段，判斷主站正在進行怎樣的數據請求；第三階段，從站組織應答幀，啟動幀的發送過程。 第二階段的幀控制字處理請參考ＰＲＯＦＩＢＵＳ標準的相關內容。對于第三階段的組織和發送應答幀，由于數據長度和內容已知，只要定義好串口發送中斷／服務，定義好相應的ＰＥＣ通道：源地址為發送數據緩沖區首址＋１、目的地址為串口發送緩沖器、ＣＯＵＮＴ域為發送字節數－１，將所要發送數據的第一個字節寫入串口發送緩沖器，即可觸發串口發送相關的ＰＥＣ服務；當ＣＯＵＮＴ減為０時，觸發串口發送中斷服務子程序，完成串口數據發送過程。由于該過程實現簡單，不作詳細討論。這里主要討論第一階段的幀完整接收實現過程。 從上面的幀結構分析可見，幀的長度是不固定的。因此，為提高接收效率，應用ＰＥＣ服務分三步進行數據的批量接收。 ４．１ 第一步：幀頭接收 首先，初始化時，定義串口接收ＰＥＣ服務為連續接收三字節，用于接收幀的前三字節。 由第一個字符ＳＤｘ(ｘ＝１,２,３)判斷幀類型；對于不帶數據固定長度幀和帶數據固定長度幀接下來的兩個字符是ＤＡ、ＳＡ，判斷ＤＡ是否為本機地址；而對于帶數據長度可變幀，接下來的兩個字符是ＬＥ、ＬＥｒ，判斷其是否相等。 若以上判斷都成立，則需定義下一次ＰＥＣ服務的接收字符數：對于固定長度幀，定義ＰＥＣ批量接收三字節數據，并保存ＤＡ、ＳＡ；對于可變長度幀，定義ＰＥＣ服務接收四字節數據，轉第二步； 若ＬＥ≠ＬＥｒ或ＤＡ目的地址非本站地址，則重回到初始狀態，進行幀頭接收。 ４．２ 第二步：幀控制字接收 由于主站幀的連續發送，會再次觸發ＰＥＣ服務。由串口接收ＰＥＣ服務連續接收三或四字節后，處理如下： ．不帶數據固定長度幀，接收三字節，分別為ＦＣ、ＦＣＳ、ＥＤ。對ＦＣＳ和ＥＤ分別完成累加和校驗與幀結束判斷后，將幀控制字ＦＣ保存，轉去執行幀控制字處理。 ．帶數據固定長度幀 接收三字節分別為ＦＣ和數據單元的前兩個字節，保存ＦＣ，定義ＰＥＣ服務接收后八個數據字節，轉第三步。 ．帶數據可變長度幀，接收了四字節，分別為ＳＤ、ＤＡ、ＳＡ、ＦＣ。對ＳＤ再進行一次判斷，之后判斷ＤＡ是否為本機地址，保存ＤＡ、ＳＡ、ＦＣ，定義ＰＥＣ服務接收余下的數據字節長度由ＬＥ確定，轉第三步。 ４．３ 第三步：幀數據接收 當串口接收ＰＥＣ服務連續接收八或更多的字節后，處理如下： ．帶數據固定長度幀，接收八個字節，分別為余下的六字節數據和ＦＣＳ、ＥＤ。在累加和校驗與幀結束判斷完畢后，轉去執行幀控制字處理。 ．帶數據長度可變幀，接收了ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ＋２個字節，分別ＤＡＴＡ－ＵＮＩＴ個數據字節和ＦＣＳ、ＥＤ。在累加和校驗與幀結束判斷完畢后，進行協議要求的目的地址和原地址的地址擴展判斷和保存，轉去執行幀控制字處理。 ４．４ 串口接收中斷服務子程序 以上三步都由串口接收中斷服務子程序負責完成。每一步對應不同的處理狀態。為提高程序的執行效率，用有限狀態機實現。以１、２、３分別表示上述幀接收三個步驟，４表示幀控制字處理狀態，其狀態轉換如圖３。 采用這種協議實現方法，在最近研制的棒材生產線的飛剪控制器中運行效果良好。