一種串口高效收發(fā)思路及方案

1. 簡介

串口由于使用簡單，價(jià)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(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：

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)。

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)長時(shí)間處于等待狀態(tài))。

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)。

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(huì)自動(dòng)發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)。寫入發(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(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。

圖3-1 公司常用通訊協(xié)議格式

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)長度可以為0，整個(gè)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)

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)

1. typedef struct {

2. uint8_t * dst_buf; //指向接收緩存

3. uint8_t sfd; //幀首標(biāo)志,為0xFF或者0xEE

4. uint8_t sfd_flag; //找到幀首,一般是3~5個(gè)FF或EE

5. uint8_t sfd_count; //幀首的個(gè)數(shù),一般3~5個(gè)

6. uint8_t received_len; //已經(jīng)接收的字節(jié)數(shù)

7. uint8_t find_fram_flag; //找到完整幀后,置1

8. uint8_t frame_len; //本幀數(shù)據(jù)總長度，這個(gè)區(qū)域是可選的

9. }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

1. /**

2. * @brief 初始化尋找?guī)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3. * @param p_fine_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量

4. * @param dst_buf:指向幀緩沖區(qū)

5. * @param sfd:幀首標(biāo)志,一般為0xFF或者0xEE

6. */

7. void init_find_frame_struct(find_frame_struct * p_find_frame,uint8_t *dst_buf,uint8_t sfd)

8. {

9. p_find_frame->dst_buf=dst_buf;

10. p_find_frame->sfd=sfd;

11. p_find_frame->find_fram_flag=0;

12. p_find_frame->frame_len=10;

13. p_find_frame->received_len=0;

14. p_find_frame->sfd_count=0;

15. p_find_frame->sfd_flag=0;

16. }

3.3 數(shù)據(jù)打包程序

1. /**

2. * @brief 尋找一幀數(shù)據(jù) 返回處理的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

3. * @param p_find_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量

4. * @param src_buf:指向串口接收的原始數(shù)據(jù)

5. * @param data_len:src_buf本次串口接收到的原始數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

6. * @param sum_len:幀緩存的最大長度

7. * @return 本次處理的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

8. */

9. uint32_t find_one_frame(find_frame_struct * p_find_frame,const uint8_t * src_buf,uint32_t data_len,uint32_t sum_len)

10. {

11. uint32_t src_len=0;

12.

13. while(data_len--)

14. {

15. if(p_find_frame ->sfd_flag==0)

16. { //沒有找到起始幀首

17. if(src_buf[src_len++]==p_find_frame ->sfd)

18. {

19. p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame ->received_len++]=p_find_frame ->sfd;

20. if(++p_find_frame ->sfd_count==5)

21. {

22. p_find_frame ->sfd_flag=1;

23. p_find_frame ->sfd_count=0;

24. p_find_frame ->frame_len=10;

25. }

26. }

27. else

28. {

29. p_find_frame ->sfd_count=0;

30. p_find_frame ->received_len=0;

31. }

32. }

33. else

34. { //是否是長度字節(jié)? Y->獲取這幀的數(shù)據(jù)長度

35. if(7==p_find_frame ->received_len)

36. {

37. 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)長度+校驗(yàn)

38.

39. if(p_find_frame->frame_len>=sum_len)

40. { //這里處理方法根據(jù)具體應(yīng)用不一定相同

41. MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,(數(shù)據(jù)長度超出緩存!n));

42. p_find_frame->frame_len= sum_len;

43. }

44. }

45.

46. p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame->received_len++]=src_buf[src_len++];

47.

48. if(p_find_frame ->received_len==p_find_frame ->frame_len)

49. {

50. p_find_frame ->received_len=0; //一幀完成

51. p_find_frame ->sfd_flag=0;

52. p_find_frame ->find_fram_flag=1;

53.

54. return src_len;

55. }

56. }

57. }

58. p_find_frame ->find_fram_flag=0;

59. return src_len;

60. }

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)：

#define SLAVE_REC_DATA_LEN 128

uint8_t slave_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(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)于那些沒有開定時(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(shí)器間隔為10ms以下(含10ms)就能滿足。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)送并且滿足發(fā)送條件，則將數(shù)據(jù)放入發(fā)送FIFO中，對(duì)于lpc1778來說，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)

1. /*串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體*/

2. typedef struct {

3. uint16_t send_sum_len; //要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)長度

4. uint8_t send_cur_len; //當(dāng)前已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)長度

5. uint8_t send_flag; //是否發(fā)送標(biāo)志

6. uint8_t * send_data; //指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

7. }uart_send_struct;

4.2 定時(shí)處理函數(shù)

1. /**

2. * @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

3. * @param UARTx:指向硬件串口寄存器基地址

4. * @param p:指向串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體變量

5. */

6. #define FARME_SEND_FALG 0x5A

7. #define SEND_DATA_NUM 12

8. static void uart_send_com(LPC_UART_TypeDef *UARTx,uart_send_struct *p)

9. {

10. uint32_t i;

11. uint32_t tmp32;

12.

13. if(UARTx->LSR (0x016)) //發(fā)送為空

14. {

15. if(p->send_flag==FARME_SEND_FALG)

16. {

17. RS485ClrDE; // 置485為發(fā)送狀態(tài)

18.

19. tmp32=p->send_sum_len-p->send_cur_len;

20. if(tmp32>SEND_DATA_NUM) //向發(fā)送FIFO填充字節(jié)數(shù)據(jù)

21. {

22. for(i=0;i 23. {

24. UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];

25. }

26. }

27. else

28. {

29. for(i=0;i 30. {

31. UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];

32. }

33. p->send_flag=0;

34. }

35. }

36. else

37. {

38. RS485SetDE;

39. }

40. }

41. }

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_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(duì)定時(shí)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(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。