分享一個串口高效收發(fā)數(shù)據(jù)的方案
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摘要：本文在探討傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)不足之后，介紹如何使用帶FIFO的串口來減少接收中斷次數(shù)，通過一種自定義通訊協(xié)議格式，給出幀打包方法；之后介紹一種特殊的串口數(shù)據(jù)發(fā)送方法，可在避免使用串口發(fā)送中斷的情況下，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
1. 簡介串口由于使用簡單，價格低廉，配合RS485芯片可以實(shí)現(xiàn)長距離、抗干擾能力強(qiáng)的局域網(wǎng)絡(luò)而被廣泛使用。隨著產(chǎn)品功能的增多，需要處理的任務(wù)也越來越復(fù)雜，系統(tǒng)任務(wù)也越來越需要及時響應(yīng)。絕大多數(shù)的現(xiàn)代單片機(jī)（ARM7、Cortex-M3）串口都帶有一定數(shù)量的硬件FIFO，本文將介紹如何使用硬件FIFO來減少接收中斷次數(shù)，提高發(fā)送效率。在此之前，先來列舉一下傳統(tǒng)串口數(shù)據(jù)收發(fā)的不足之處：（1）每接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)，產(chǎn)生一次接收中斷。不能有效的利用串口硬件FIFO，減少中斷次數(shù)。（2）應(yīng)答數(shù)據(jù)采用等待發(fā)送的方法。由于串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上CPU的處理時間，等待串口發(fā)送完當(dāng)前字節(jié)再發(fā)送下一字節(jié)會造成CPU資源浪費(fèi)，不利于系統(tǒng)整體響應(yīng)（在1200bps下，發(fā)送一字節(jié)大約需要10ms，如果一次發(fā)送幾十個字節(jié)數(shù)據(jù)，CPU會長時間處于等待狀態(tài)）。（3）應(yīng)答數(shù)據(jù)采用中斷發(fā)送。增加一個中斷源，增加系統(tǒng)的中斷次數(shù)，這會影響系統(tǒng)整體穩(wěn)定性（從可靠性角度考慮，中斷事件應(yīng)越少越好）。（4）針對上述的不足之處，將結(jié)合一個常用自定義通訊協(xié)議，提供一個完整的解決方案。2.串口FIFO串口FIFO可以理解為串口專用的緩存，該緩存采用先進(jìn)先出方式。數(shù)據(jù)接收FIFO和數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO通常是獨(dú)立的兩個硬件。串口接收的數(shù)據(jù)，先放入接收FIFO中，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達(dá)到觸發(fā)值（通常觸發(fā)值為1、2、4、8、14字節(jié)）或者FIFO中的數(shù)據(jù)雖然沒有達(dá)到設(shè)定值但是一段時間（通常為3.5個字符傳輸時間）沒有再接收到數(shù)據(jù)，則通知CPU產(chǎn)生接收中斷；發(fā)送的數(shù)據(jù)要先寫入發(fā)送FIFO，只要發(fā)送FIFO未空，硬件會自動發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)。寫入發(fā)送FIFO的字節(jié)個數(shù)受FIFO最大深度影響，通常一次寫入最多允許16字節(jié)。上述列舉的數(shù)據(jù)跟具體的硬件有關(guān)，CPU類型不同，特性也不盡相同，使用前應(yīng)參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊。3.數(shù)據(jù)接收與打包FIFO可以緩存串口接收到的數(shù)據(jù)，因此我們可以利用FIFO來減少中斷次數(shù)。以NXP的lpc1778芯片為例，接收FIFO的觸發(fā)級別可以設(shè)置為1、2、4、8、14字節(jié)，推薦使用8字節(jié)或者14字節(jié)，這也是PC串口接收FIFO的默認(rèn)值。這樣，當(dāng)接收到大量數(shù)據(jù)時，每8個字節(jié)或者14個字節(jié)才會產(chǎn)生一次中斷（最后一次接收除外），相比接收一個字節(jié)即產(chǎn)生一個中斷，這種方法串口接收中斷次數(shù)大大減少。將接收FIFO設(shè)置為8或者14字節(jié)也十分簡單，還是以lpc1778為例，只需要設(shè)置UART FIFO控制寄存器UnFCR即可。接收的數(shù)據(jù)要符合通訊協(xié)議規(guī)定，數(shù)據(jù)與協(xié)議是密不可分的。通常我們需要將接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議打包成一幀，然后交由上層處理。下面介紹一個自定義的協(xié)議幀格式，并給出一個通用打包成幀的方法。自定義協(xié)議格式如圖3-1所示。
- 幀首：通常是3~5個0xFF或者0xEE
- 地址號：要進(jìn)行通訊的設(shè)備的地址編號，1字節(jié)
- 命令號：對應(yīng)不同的功能，1字節(jié)
- 長度：數(shù)據(jù)區(qū)域的字節(jié)個數(shù)，1字節(jié)
- 數(shù)據(jù)：與具體的命令號有關(guān)，數(shù)據(jù)區(qū)長度可以為0，整個幀的長度不應(yīng)超過256字節(jié)
- 校驗(yàn)：異或和校驗(yàn)（1字節(jié)）或者CRC16校驗(yàn)（2字節(jié)），本例使用CRC16校驗(yàn)
typedef struct3.2 初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一般放在串口初始化中
{
uint8_t * dst_buf; //指向接收緩存
uint8_t sfd; //幀首標(biāo)志,為0xFF或者0xEE
uint8_t sfd_flag; //找到幀首,一般是3~5個FF或EE
uint8_t sfd_count; //幀首的個數(shù),一般3~5個
uint8_t received_len; //已經(jīng)接收的字節(jié)數(shù)
uint8_t find_fram_flag; //找到完整幀后,置1
uint8_t frame_len; //本幀數(shù)據(jù)總長度，這個區(qū)域是可選的
}find_frame_struct;
/**3.3 數(shù)據(jù)打包程序
* @brief 初始化尋找?guī)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
* @param p_fine_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量
* @param dst_buf:指向幀緩沖區(qū)
* @param sfd:幀首標(biāo)志,一般為0xFF或者0xEE
*/
void init_find_frame_struct(find_frame_struct * p_find_frame,uint8_t *dst_buf,uint8_t sfd) {
p_find_frame->dst_buf=dst_buf;
p_find_frame->sfd=sfd;
p_find_frame->find_fram_flag=0;
p_find_frame->frame_len=10;
p_find_frame->received_len=0;
p_find_frame->sfd_count=0;
p_find_frame->sfd_flag=0;
}
/**使用例子：定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量：
* @brief 尋找一幀數(shù)據(jù) 返回處理的數(shù)據(jù)個數(shù)
* @param p_find_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量
* @param src_buf:指向串口接收的原始數(shù)據(jù)
* @param data_len:src_buf本次串口接收到的原始數(shù)據(jù)個數(shù)
* @param sum_len:幀緩存的最大長度
* @return 本次處理的數(shù)據(jù)個數(shù)
*/
uint32_t find_one_frame(find_frame_struct * p_find_frame,const uint8_t * src_buf,uint32_t data_len,uint32_t sum_len) {
uint32_t src_len=0;
while(data_len--)
{
if(p_find_frame ->sfd_flag==0)
{ //沒有找到起始幀首
if(src_buf[src_len++]==p_find_frame ->sfd)
{
p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame ->received_len++]=p_find_frame ->sfd;
if(++p_find_frame ->sfd_count==5)
{
p_find_frame ->sfd_flag=1;
p_find_frame ->sfd_count=0;
p_find_frame ->frame_len=10;
}
}
else
{
p_find_frame ->sfd_count=0;
p_find_frame ->received_len=0;
}
}
else
{ //是否是"長度"字節(jié)? Y->獲取這幀的數(shù)據(jù)長度
if(7==p_find_frame ->received_len)
{
p_find_frame->frame_len=src_buf[src_len]+5+1+1+1+2; //幀首+地址號+命令號+數(shù)據(jù)長度+校驗(yàn)
if(p_find_frame->frame_len>=sum_len)
{ //這里處理方法根據(jù)具體應(yīng)用不一定相同
MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,("數(shù)據(jù)長度超出緩存!n"));
p_find_frame->frame_len= sum_len;
}
}
p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame->received_len++]=src_buf[src_len++];
if(p_find_frame ->received_len==p_find_frame ->frame_len)
{
p_find_frame ->received_len=0; //一幀完成
p_find_frame ->sfd_flag=0;
p_find_frame ->find_fram_flag=1;
return src_len;
}
}
}
p_find_frame ->find_fram_flag=0;
return src_len;
}
find_frame_struct slave_find_frame_srt;定義接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：
#define SLAVE_REC_DATA_LEN 128在串口初始化中調(diào)用結(jié)構(gòu)體變量初始化函數(shù)：
uint8_t slave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN];
init_find_frame_struct(&slave_find_frame_srt,slave_rec_buf,0xEE);在串口接收中斷中調(diào)用數(shù)據(jù)打包函數(shù)：
find_one_frame(&slave_find_frame_srt,tmp_rec_buf,data_len,SLAVE_REC_DATA_LEN);其中，rec_buf是串口接收臨時緩沖區(qū)，data_len是本次接收的數(shù)據(jù)長度。4.數(shù)據(jù)發(fā)送前文提到，傳統(tǒng)的等待發(fā)送方式會浪費(fèi)CPU資源，而中斷發(fā)送方式雖然不會造成CPU資源浪費(fèi)，但又增加了一個中斷源。在我們的使用中發(fā)現(xiàn)，定時器中斷是幾乎每個應(yīng)用都會使用的，我們可以利用定時器中斷以及硬件FIFO來進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過合理設(shè)計(jì)后，這樣的發(fā)送方法即不會造成CPU資源浪費(fèi)，也不會多增加中斷源和中斷事件。需要提前說明的是，這個方法并不是對所有應(yīng)用都合適，對于那些沒有開定時器中斷的應(yīng)用本方法當(dāng)然是不支持的，另外如果定時器中斷間隔較長而通訊波特率又特別高的話，本方法也不太適用。公司目前使用的通訊波特率一般比較小（1200bps、2400bps），在這些波特率下，定時器間隔為10ms以下（含10ms）就能滿足。如果定時器間隔為1ms以下（含1ms），是可以使用115200bps的。本方法主要思想是：定時器中斷觸發(fā)后，判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送并且滿足發(fā)送條件，則將數(shù)據(jù)放入發(fā)送FIFO中，對于lpc1778來說，一次最多可以放16字節(jié)數(shù)據(jù)。之后硬件會自動啟動發(fā)送，無需CPU參與。下面介紹如何使用定時器發(fā)送數(shù)據(jù)，硬件載體為RS485。因?yàn)榘l(fā)送需要操作串口寄存器以及RS485方向控制引腳，需跟硬件密切相關(guān)，以下代碼使用的硬件為lpc1778，但思想是通用的。4.1 定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
/*串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體*/4.2 定時處理函數(shù)
typedef struct
{
uint16_t send_sum_len; //要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)長度
uint8_t send_cur_len; //當(dāng)前已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)長度
uint8_t send_flag; //是否發(fā)送標(biāo)志
uint8_t * send_data; //指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
}uart_send_struct;
/**其中，RS485ClrDE為宏定義，設(shè)置RS485為發(fā)送模式；RS485SetDE也為宏定義，設(shè)置RS485為接收模式。使用例子：定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量：
* @brief 定時發(fā)送函數(shù),在定時器中斷中調(diào)用,不使用發(fā)送中斷的情況下減少發(fā)送等待
* @param UARTx:指向硬件串口寄存器基地址
* @param p:指向串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體變量
*/
#define FARME_SEND_FALG 0x5A
#define SEND_DATA_NUM 12
static void uart_send_com(LPC_UART_TypeDef *UARTx,uart_send_struct *p) {
uint32_t i;
uint32_t tmp32;
if(UARTx->LSR &(0x01<<6)) //發(fā)送為空
{
if(p->send_flag==FARME_SEND_FALG)
{
RS485ClrDE; // 置485為發(fā)送狀態(tài)
tmp32=p->send_sum_len-p->send_cur_len;
if(tmp32>SEND_DATA_NUM) //向發(fā)送FIFO填充字節(jié)數(shù)據(jù)
{
for(i=0;i<SEND_DATA_NUM;i++)
{
UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];
}
}
else
{
for(i=0;i<tmp32;i++)
{
UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];
}
p->send_flag=0;
}
}
else
{
RS485SetDE;
}
}
}
uart_send_struct uart0_send_str;定義發(fā)送緩沖區(qū)：
uint8_t uart0_send_buf[UART0_SEND_LEN];根據(jù)使用的硬件串口，對定時處理函數(shù)做二次封裝：
void uart0_send_data(void){
uart_send_com(LPC_UART0,&uart0_send_str);
}將封裝函數(shù)uart0_send_data();放入定時器中斷處理函數(shù)中；在需要發(fā)送數(shù)據(jù)的地方，設(shè)置串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體變量：uart0_send_str.send_sum_len=data_len; //data_len為要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度5. 總結(jié)本文主要討論了一種高效的串口數(shù)據(jù)收發(fā)方法，并給出了具體的代碼實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)前處理器任務(wù)不斷增加的情況下，提供了一個占用資源少，可提高系統(tǒng)整體性能的新的思路。
uart0_send_str.send_cur_len=0; //固定為0
uart0_send_str.send_data=uart0_send_buf; //綁定發(fā)送緩沖區(qū)
uart0_send_str.send_flag=FARME_SEND_FALG; //設(shè)置發(fā)送標(biāo)志
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