隊列的基本概念!從隊列到串口緩沖區(qū)的實現(xiàn)

隊列的概念

在此之前，我們來回顧一下隊列的基本概念：隊列 (Queue)：是一種先進先出(First In First Out ,簡稱 FIFO)的線性表，只允許在一端插入（入隊），在另一端進行刪除（出隊）。

隊列的特點

隊列的常見兩種形式

普通隊列

在計算機中，每個信息都是存儲在存儲單元中的，比喻一下吧，上圖的一些小正方形格子就是一個個存儲單元，你可以理解為常見的數(shù)組，存放我們一個個的信息。

當有大量數(shù)據(jù)的時候，我們不能存儲所有的數(shù)據(jù)，那么計算機處理數(shù)據(jù)的時候，只能先處理先來的，那么處理完后呢，就會把數(shù)據(jù)釋放掉，再處理下一個。那么，已經(jīng)處理的數(shù)據(jù)的內(nèi)存就會被浪費掉。因為后來的數(shù)據(jù)只能往后排隊，如過要將剩余的數(shù)據(jù)都往前移動一次，那么效率就會低下了，肯定不現(xiàn)實，所以，環(huán)形隊列就出現(xiàn)了。

環(huán)形隊列

它的隊列就是一個環(huán)，它避免了普通隊列的缺點，就是有點難理解而已，其實它就是一個隊列，一樣有隊列頭，隊列尾，一樣是先進先出（FIFO）。我們采用順時針的方式來對隊列進行排序。

隊列頭(Head) :允許進行刪除的一端稱為隊首。隊列尾(Tail) :允許進行插入的一端稱為隊尾。

環(huán)形隊列的實現(xiàn)：在計算機中，也是沒有環(huán)形的內(nèi)存的，只不過是我們將順序的內(nèi)存處理過，讓某一段內(nèi)存形成環(huán)形，使他們首尾相連，簡單來說，這其實就是一個數(shù)組，只不過有兩個指針，一個指向列隊頭，一個指向列隊尾。指向列隊頭的指針(Head)是緩沖區(qū)可讀的數(shù)據(jù)，指向列隊尾的指針(Tail)是緩沖區(qū)可寫的數(shù)據(jù)，通過移動這兩個指針(Head) &(Tail)即可對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行讀寫操作了，直到緩沖區(qū)已滿（頭尾相接），將數(shù)據(jù)處理完，可以釋放掉數(shù)據(jù)，又可以進行存儲新的數(shù)據(jù)了。

實現(xiàn)的原理：初始化的時候，列隊頭與列隊尾都指向0，當有數(shù)據(jù)存儲的時候，數(shù)據(jù)存儲在‘0’的地址空間，列隊尾指向下一個可以存儲數(shù)據(jù)的地方‘1’，再有數(shù)據(jù)來的時候，存儲數(shù)據(jù)到地址‘1’，然后隊列尾指向下一個地址‘2’。當數(shù)據(jù)要進行處理的時候，肯定是先處理‘0’空間的數(shù)據(jù)，也就是列隊頭的數(shù)據(jù)，處理完了數(shù)據(jù)，‘0’地址空間的數(shù)據(jù)進行釋放掉，列隊頭指向下一個可以處理數(shù)據(jù)的地址‘1’。從而實現(xiàn)整個環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫。

看圖，隊列頭就是指向已經(jīng)存儲的數(shù)據(jù)，并且這個數(shù)據(jù)是待處理的。下一個CPU處理的數(shù)據(jù)就是1；而隊列尾則指向可以進行寫數(shù)據(jù)的地址。當1處理了，就會把1釋放掉。并且把隊列頭指向2。當寫入了一個數(shù)據(jù)6，那么隊列尾的指針就會指向下一個可以寫的地址。

如果你懂了環(huán)形隊列，那就跟著歌曲來一步步用代碼實現(xiàn)吧：

從隊列到串口緩沖區(qū)的實現(xiàn)

串口環(huán)形緩沖區(qū)收發(fā)：在很多入門級教程中，我們知道的串口收發(fā)都是：接收一個數(shù)據(jù)，觸發(fā)中斷，然后把數(shù)據(jù)發(fā)回來。這種處理方式是沒有緩沖的，當數(shù)量太大的時候，亦或者當數(shù)據(jù)接收太快的時候，我們來不及處理已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)，那么，當再次收到數(shù)據(jù)的時候，就會將之前還未處理的數(shù)據(jù)覆蓋掉。那么就會出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象了，對我們的程序是一個致命的創(chuàng)傷。

那么如何避免這種情況的發(fā)生呢，很顯然，上面說的一些隊列的特性很容易幫我們實現(xiàn)我們需要的情況。將接受的數(shù)據(jù)緩存一下，讓處理的速度有些許緩沖，使得處理的速度趕得上接收的速度，上面又已經(jīng)分析了普通隊列與環(huán)形隊列的優(yōu)劣了，那么我們肯定是用環(huán)形隊列來進行實現(xiàn)了。下面就是代碼的實現(xiàn)：

①定義一個結構體：

1typedef struct2{3 u16 Head; 4 u16 Tail;5 u16 Lenght;6 u8 Ring_Buff[RINGBUFF_LEN];7}RingBuff_t;8RingBuff_t ringBuff;//創(chuàng)建一個ringBuff的緩沖區(qū)

②初始化結構體相關信息：使得我們的環(huán)形緩沖區(qū)是頭尾相連的，并且里面沒有數(shù)據(jù)，也就是空的隊列。

1/** 2* @brief RingBuff_Init 3* @param void 4* @return void 5* @author 杰杰 6* @date 2018 7* @version v1.0 8* @note 初始化環(huán)形緩沖區(qū) 9*/10void RingBuff_Init(void)11{12 //初始化相關信息13 ringBuff.Head = 0;14 ringBuff.Tail = 0;15 ringBuff.Lenght = 0;16}

初始化效果如下：

寫入環(huán)形緩沖區(qū)的代碼實現(xiàn)：

1/** 2* @brief Write_RingBuff 3* @param u8 data 4* @return FLASE:環(huán)形緩沖區(qū)已滿，寫入失敗;TRUE:寫入成功 5* @author 杰杰 6* @date 2018 7* @version v1.0 8* @note 往環(huán)形緩沖區(qū)寫入u8類型的數(shù)據(jù) 9*/10u8 Write_RingBuff(u8 data)11{12 if(ringBuff.Lenght >= RINGBUFF_LEN) //判斷緩沖區(qū)是否已滿13 {14 return FLASE;15 }16 ringBuff.Ring_Buff[ringBuff.Tail]=data;17// ringBuff.Tail++;18 ringBuff.Tail = (ringBuff.Tail+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法訪問19 ringBuff.Lenght++;20 return TRUE;21}

讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)的代碼實現(xiàn)：

1/** 2* @brief Read_RingBuff 3* @param u8 *rData，用于保存讀取的數(shù)據(jù) 4* @return FLASE:環(huán)形緩沖區(qū)沒有數(shù)據(jù)，讀取失敗;TRUE:讀取成功 5* @author 杰杰 6* @date 2018 7* @version v1.0 8* @note 從環(huán)形緩沖區(qū)讀取一個u8類型的數(shù)據(jù) 9*/10u8 Read_RingBuff(u8 *rData)11{12 if(ringBuff.Lenght == 0)//判斷非空13 {14 return FLASE;15 }16 *rData = ringBuff.Ring_Buff[ringBuff.Head];//先進先出FIFO，從緩沖區(qū)頭出17// ringBuff.Head++;18 ringBuff.Head = (ringBuff.Head+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法訪問19 ringBuff.Lenght--;20 return TRUE;21}

對于讀寫操作需要注意的地方有兩個：

1：判斷隊列是否為空或者滿，如果空的話，是不允許讀取數(shù)據(jù)的，返回FLASE。如果是滿的話，也是不允許寫入數(shù)據(jù)的，避免將已有數(shù)據(jù)覆蓋掉。那么如果處理的速度趕不上接收的速度，可以適當增大緩沖區(qū)的大小，用空間換取時間。

2：防止指針越界非法訪問，程序有說明，需要使用者對整個緩沖區(qū)的大小進行把握。

那么在串口接收函數(shù)中：

1void USART1_IRQHandler(void) 2{3 if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) //接收中斷4 {5 USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE); //清楚標志位6 Write_RingBuff(USART_ReceiveData(USART1)); //讀取接收到的數(shù)據(jù)7 }8}

測試數(shù)據(jù)沒有發(fā)生丟包現(xiàn)象。

補充

對于現(xiàn)在的階段，杰杰我本人寫代碼也慢慢學會規(guī)范了。所有的代碼片段均使用了可讀性很強的，還有可移植性也很強的。我使用了宏定義來決定是否開啟環(huán)形緩沖區(qū)的方式來收發(fā)數(shù)據(jù)，移植到大家的代碼并不會有其他副作用，只需要開啟宏定義即可使用了。

1#define USER_RINGBUFF 1 //使用環(huán)形緩沖區(qū)形式接收數(shù)據(jù) 2#if USER_RINGBUFF 3/**如果使用環(huán)形緩沖形式接收串口數(shù)據(jù)***/ 4#define RINGBUFF_LEN 200 //定義最大接收字節(jié)數(shù) 200 5#define FLASE 1 6#define TRUE 0 7void RingBuff_Init(void); 8u8 Write_RingBuff(u8 data); 9u8 Read_RingBuff(u8 *rData);10#endif

當然，我們完全可以用空閑中斷與DMA傳輸，效率更高，但是某些單片機沒有空閑中斷與DMA，那么這種環(huán)形緩沖區(qū)的作用就很大了，并且移植簡便。同時大家也可以參考下下面這篇Gokit3.0 STM32源代碼分析，會對這個機制理解更深。