一種高效的串口收發(fā)思路及方案

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(lái)減少接收中斷次數(shù)，通過(guò)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(jiǎn)介

串口由于使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，配合RS485芯片可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)任務(wù)也越來(lái)越需要及時(shí)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(lái)減少接收中斷次數(shù)，提高發(fā)送效率。在此之前，先來(lái)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(gè)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(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上CPU的處理時(shí)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(huì)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(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，CPU會(huì)長(zhǎng)時(shí)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(gè)中斷源，增加系統(tǒng)的中斷次數(shù)，這會(huì)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(duì)上述的不足之處，將結(jié)合一個(gè)常用自定義通訊協(xié)議，提供一個(gè)完整的解決方案。

2.串口FIFO

串口FIFO可以理解為串口專(zhuān)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(gè)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(méi)有達(dá)到設(shè)定值但是一段時(shí)間（通常為3.5個(gè)字符傳輸時(shí)間）沒(méi)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(xiě)入發(fā)送FIFO，只要發(fā)送FIFO未空，硬件會(huì)自動(dòng)發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)。

寫(xiě)入發(fā)送FIFO的字節(jié)個(gè)數(shù)受FIFO最大深度影響，通常一次寫(xiě)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(lèi)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(cè)。

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(lái)減少中斷次數(shù)。以NXP的lpc1778芯片為例，接收FIFO的觸發(fā)級(jí)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(shí)，每8個(gè)字節(jié)或者14個(gè)字節(jié)才會(huì)產(chǎn)生一次中斷（最后一次接收除外），相比接收一個(gè)字節(jié)即產(chǎn)生一個(gè)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(jiǎn)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(gè)自定義的協(xié)議幀格式，并給出一個(gè)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(gè)0xFF或者0xEE

地址號(hào)：要進(jìn)行通訊的設(shè)備的地址編號(hào)，1字節(jié)

命令號(hào)：對(duì)應(yīng)不同的功能，1字節(jié)

長(zhǎng)度：數(shù)據(jù)區(qū)域的字節(jié)個(gè)數(shù)，1字節(jié)

數(shù)據(jù)：與具體的命令號(hào)有關(guān)，數(shù)據(jù)區(qū)長(zhǎng)度可以為0，整個(gè)幀的長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)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)

下面介紹如何將接收到的數(shù)據(jù)按照?qǐng)D3-1所示的格式打包成一幀。

3.1 定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

typedefstruct
{
uint8_t*dst_buf;//指向接收緩存
uint8_tsfd;//幀首標(biāo)志,為0xFF或者0xEE
uint8_tsfd_flag;//找到幀首,一般是3~5個(gè)FF或EE
uint8_tsfd_count;//幀首的個(gè)數(shù),一般3~5個(gè)
uint8_treceived_len;//已經(jīng)接收的字節(jié)數(shù)
uint8_tfind_fram_flag;//找到完整幀后,置1
uint8_tframe_len;//本幀數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度，這個(gè)區(qū)域是可選的
}find_frame_struct;

3.2 初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一般放在串口初始化中

/**
*@brief初始化尋找?guī)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
*@paramp_fine_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量
*@paramdst_buf:指向幀緩沖區(qū)
*@paramsfd:幀首標(biāo)志,一般為0xFF或者0xEE
*/
voidinit_find_frame_struct(find_frame_struct*p_find_frame,uint8_t*dst_buf,uint8_tsfd)
{
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;
}

3.3 數(shù)據(jù)打包程序

/**
*@brief尋找一幀數(shù)據(jù)返回處理的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)
*@paramp_find_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量
*@paramsrc_buf:指向串口接收的原始數(shù)據(jù)
*@paramdata_len:src_buf本次串口接收到的原始數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)
*@paramsum_len:幀緩存的最大長(zhǎng)度
*@return本次處理的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)
*/
uint32_tfind_one_frame(find_frame_struct*p_find_frame,constuint8_t*src_buf,uint32_tdata_len,uint32_tsum_len)
{
uint32_tsrc_len=0;

while(data_len--)
{
if(p_find_frame->sfd_flag==0)
{//沒(méi)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(zhǎng)度"字節(jié)?Y->獲取這幀的數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(hào)+命令號(hào)+數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(zhǎng)度超出緩存!
"));
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;

returnsrc_len;
}
}
}
p_find_frame->find_fram_flag=0;
returnsrc_len;
}

使用例子：

定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量：

find_frame_structslave_find_frame_srt;

定義接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：

#defineSLAVE_REC_DATA_LEN128
uint8_tslave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN];

在串口初始化中調(diào)用結(jié)構(gòu)體變量初始化函數(shù)：

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(shí)緩沖區(qū)，data_len是本次接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(huì)浪費(fèi)CPU資源，而中斷發(fā)送方式雖然不會(huì)造成CPU資源浪費(fèi)，但又增加了一個(gè)中斷源。在我們的使用中發(fā)現(xiàn)，定時(shí)器中斷是幾乎每個(gè)應(yīng)用都會(huì)使用的，我們可以利用定時(shí)器中斷以及硬件FIFO來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過(guò)合理設(shè)計(jì)后，這樣的發(fā)送方法即不會(huì)造成CPU資源浪費(fèi)，也不會(huì)多增加中斷源和中斷事件。

需要提前說(shuō)明的是，這個(gè)方法并不是對(duì)所有應(yīng)用都合適，對(duì)于那些沒(méi)有開(kāi)定時(shí)器中斷的應(yīng)用本方法當(dāng)然是不支持的，另外如果定時(shí)器中斷間隔較長(zhǎng)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?。?200bps、2400bps），在這些波特率下，定時(shí)器間隔為10ms以下（含10ms）就能滿(mǎn)足。如果定時(shí)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(shí)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(mǎn)足發(fā)送條件，則將數(shù)據(jù)放入發(fā)送FIFO中，對(duì)于lpc1778來(lái)說(shuō)，一次最多可以放16字節(jié)數(shù)據(jù)。之后硬件會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)送，無(wú)需CPU參與。

下面介紹如何使用定時(shí)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*/
typedefstruct
{
uint16_tsend_sum_len;//要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
uint8_tsend_cur_len;//當(dāng)前已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
uint8_tsend_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;

4.2 定時(shí)處理函數(shù)

/**
*@brief定時(shí)發(fā)送函數(shù),在定時(shí)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
*@paramUARTx:指向硬件串口寄存器基地址
*@paramp:指向串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體變量
*/
#defineFARME_SEND_FALG0x5A
#defineSEND_DATA_NUM12
staticvoiduart_send_com(LPC_UART_TypeDef*UARTx,uart_send_struct*p)
{
uint32_ti;
uint32_ttmp32;

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;iTHR=p->send_data[p->send_cur_len++];
}
}
else
{
for(i=0;iTHR=p->send_data[p->send_cur_len++];
}
p->send_flag=0;
}
}
else
{
RS485SetDE;
}
}
}

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：

uart_send_structuart0_send_str;

定義發(fā)送緩沖區(qū)：

uint8_tuart0_send_buf[UART0_SEND_LEN];

根據(jù)使用的硬件串口，對(duì)定時(shí)處理函數(shù)做二次封裝：

voiduart0_send_data(void)
{
uart_send_com(LPC_UART0,&uart0_send_str);
}

將封裝函數(shù)uart0_send_data();放入定時(shí)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(zhǎng)度
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

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(gè)占用資源少，可提高系統(tǒng)整體性能的新的思路。