频发事件中的环形缓冲器应用

引 言
单片机的应用越来越广泛，而实际应用中对单片机的要求也越来越高。人们总是希望单片机成本尽可能的低，功耗尽可能的低，处理能力又要尽可能的强。这三者是相互矛盾的。
在设计具体产品前，一般是根据成本和估计的处理能力，先选中一款单片机，接下来的软件工作就是利用各种技巧，让单片机能够应付多项任务和多个进程而不发生冲突。使用实时操作系统可以很容易地避免这些冲突，但实时操作系统因程序代码过大常让人不敢问津。
对于不使用实时操作系统的前后台模式的程序，解决时间冲突或任务冲突的方式有很多，常用的有：任务的时间片穿插、信号量或标志位的使用、数据缓冲等等。数据缓冲方式一般有硬件上的F／F缓冲和软件上的环形缓冲两种方式。软件环形缓冲器按实际需要，又可做成单向或双向两种操作方式。环形缓冲的方式非常适合高频率发生事件的处理。

1 环形缓冲器的操作
软件环形缓冲器，因为要通过定义数组在内存中开辟数据空间，所以也常称之为“环形缓冲区”。还要定义两个指针：一个数据写入指针PtrIn，用来指向下一次数据写入的地址；另一个是数据读出指针PtrOut，指向下一次读出数据的地址，如图1所示。

数据队列中若没有必须紧急处理的事件，环形缓冲器就只考虑单向操作。
1．1 环形缓冲器的单向操作
所谓“单向操作”，是指环形缓冲器中的数据总是从前面读出，在最后追加。创建缓冲器时，写入指针PtrIn和读出指针PtrOut都初始化到缓冲器的起点BUF＿BE-GIN，即数组的第一个地址空间。写入数据后，两指针不再指向同一地址。随着数据的不断写入，写入指针可能会追上读出指针，两个指针再次指向同一地址。两指针指向同一地址时，如何判断缓冲区是满还是空呢?有两个常用的方法：一个方法是不让写入指针追上读出指针。当写入指针追上读出指针时，让写入指针再后退一个地址，先写入的数据也就无效了。显然，这样缓冲器中实际可使用的最大空间比定义的空间要少一个。当缓冲空间的数据是多字节的结构变量时，这个方法会浪费太多空间。另一个方法是增加一个缓冲区满标志变量，此变量若为真，表示两指针相同时，缓冲器数据是满的，否则缓冲器为空。还有一个不太常用的方法，是利用数据是否有效的办法，详见本文第2部分。
读出指针是可以追上写入指针的。这时缓冲区中数据被读空。下面以16个字空间为例给出操作程序：

开辟空间

1．2 环形缓冲器的双向操作
如果环形缓冲器中有必须优先处理的数据，就要把这样的数据写到缓冲器的开头，即让读出指针PtrOut后退一个空间，把数据写入。这也叫“后入先出”数据操作。前面提到的写入方式又叫先入先出数据操作。下面再给出后入先出的写入程序：

一个环形缓冲器，有了以上这3段操作程序，就成了可以双向操作的环形缓冲器。

2 环形缓冲在二维步进电机控制中的应用
二维数控机床有X方向和Y方向两个步进电机，单片机要控制这两个步进电机共同携带的刀具走出预定的曲线，有以下4项任务：
①计算出下一步，是仅X方向(或仅Y方向)的步进电机走一步，还是X、Y方向的步进电机同时走一步。
②控制两个步进电机尽量以恒转矩加减速，防止失步。
③随时接收来自键盘的动作指令。
④在图形LCD上显示X和Y方向路线图。
两个步进电机以最高速度运转时，都是333μs走一步，