一种串口高效收发思路及方案

爱被打了一巴掌 2022-08-08 14:47 126阅读 0赞

摘要：本文在探讨传统数据收发不足之后，介绍如何使用带FIFO的串口来减少接收中断次数，通过一种自定义通讯协议格式，给出帧打包方法；之后介绍一种特殊的串口数据发送方法，可在避免使用串口发送中断的情况下，提高系统的响应速度。

### 1. 简介 ###

串口由于使用简单，价格低廉，配合RS485芯片可以实现长距离、抗干扰能力强的局域网络而被广泛使用。随着产品功能的增多，需要处理的任务也越来越复杂，系统任务也越来越需要及时响应。绝大多数的现代单片机（ARM7、Cortex-M3）串口都带有一定数量的硬件FIFO，本文将介绍如何使用硬件FIFO来减少接收中断次数，提高发送效率。在此之前，先来列举一下传统串口数据收发的不足之处：

1.  每接收一个字节数据，产生一次接收中断。不能有效的利用串口硬件FIFO，减少中断次数。
2.  应答数据采用等待发送的方法。由于串行数据传输的时间远远跟不上CPU的处理时间，等待串口发送完当前字节再发送下一字节会造成CPU资源浪费，不利于系统整体响应（在1200bps下，发送一字节大约需要10ms，如果一次发送几十个字节数据，CPU会长时间处于等待状态）。
3.   应答数据采用中断发送。增加一个中断源，增加系统的中断次数，这会影响系统整体稳定性（从可靠性角度考虑，中断事件应越少越好）。
4.   针对上述的不足之处，将结合一个常用自定义通讯协议，提供一个完整的解决方案。

### 2. 串口FIFO ###

串口FIFO可以理解为串口专用的缓存，该缓存采用先进先出方式。数据接收FIFO和数据发送FIFO通常是独立的两个硬件。串口接收的数据，先放入接收FIFO中，当FIFO中的数据达到触发值（通常触发值为1、2、4、8、14字节）或者FIFO中的数据虽然没有达到设定值但是一段时间（通常为3.5个字符传输时间）没有再接收到数据，则通知CPU产生接收中断；发送的数据要先写入发送FIFO，只要发送FIFO未空，硬件会自动发送FIFO中的数据。写入发送FIFO的字节个数受FIFO最大深度影响，通常一次写入最多允许16字节。上述列举的数据跟具体的硬件有关，CPU类型不同，特性也不尽相同，使用前应参考相应的数据手册。

### 3. 数据接收与打包 ###

FIFO可以缓存串口接收到的数据，因此我们可以利用FIFO来减少中断次数。以NXP的lpc1778芯片为例，接收FIFO的触发级别可以设置为1、2、4、8、14字节，推荐使用8字节或者14字节，这也是PC串口接收FIFO的默认值。这样，当接收到大量数据时，每8个字节或者14个字节才会产生一次中断（最后一次接收除外），相比接收一个字节即产生一个中断，这种方法串口接收中断次数大大减少。

将接收FIFO设置为8或者14字节也十分简单，还是以lpc1778为例，只需要设置UART FIFO控制寄存器UnFCR即可。

接收的数据要符合通讯协议规定，数据与协议是密不可分的。通常我们需要将接收到的数据根据协议打包成一帧，然后交由上层处理。下面介绍一个自定义的协议帧格式，并给出一个通用打包成帧的方法。

自定义协议格式如图3-1所示。

图3-1 公司常用通讯协议格式

*   帧首：通常是3~5个0xFF或者0xEE
 *   地址号：要进行通讯的设备的地址编号，1字节
 *   命令号：对应不同的功能，1字节
 *   长度：数据区域的字节个数，1字节
 *   数据：与具体的命令号有关，数据区长度可以为0，整个帧的长度不应超过256字节
 *   校验：异或和校验（1字节）或者CRC16校验（2字节），本例使用CRC16校验

下面介绍如何将接收到的数据按照图3-1所示的格式打包成一帧。

#### 3.1 定义数据结构 ####

1.  typedef struct {  
    2.      uint8_t * dst_buf;                  //指向接收缓存  
    3.      uint8_t sfd;                        //帧首标志,为0xFF或者0xEE  
    4.      uint8_t sfd_flag;                   //找到帧首,一般是3~5个FF或EE  
    5.      uint8_t sfd_count;                  //帧首的个数,一般3~5个  
    6.      uint8_t received_len;               //已经接收的字节数  
    7.      uint8_t find_fram_flag;             //找到完整帧后,置1  
    8.      uint8_t frame_len;                  //本帧数据总长度，这个区域是可选的  
    9.  }find_frame_struct;

#### 3.2 初始化数据结构，一般放在串口初始化中 ####

1.  /** 
    2.  * @brief    初始化寻找帧的数据结构 
    3.  * @param    p_fine_frame:指向打包帧数据结构体变量 
    4.  * @param    dst_buf:指向帧缓冲区 
    5.  * @param    sfd:帧首标志,一般为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 数据打包程序 ####

1.  /** 
    2.  * @brief    寻找一帧数据  返回处理的数据个数 
    3.  * @param    p_find_frame:指向打包帧数据结构体变量 
    4.  * @param    src_buf:指向串口接收的原始数据 
    5.  * @param    data_len:src_buf本次串口接收到的原始数据个数 
    6.  * @param    sum_len:帧缓存的最大长度 
    7.  * @return   本次处理的数据个数 
    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.         {   //没有找到起始帧首  
    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"长度"字节? Y->获取这帧的数据长度  
    35.             if(7==p_find_frame ->received_len)                
    36.             {  
    37.                 p_find_frame->frame_len=src_buf[src_len]+5+1+1+1+2; //帧首+地址号+命令号+数据长度+校验  
    38.                   
    39.                 if(p_find_frame->frame_len>=sum_len)  
    40.                 {   //这里处理方法根据具体应用不一定相同  
    41.                     MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,("数据长度超出缓存!\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;              //一帧完成    
    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：

定义数据结构体变量：

find_frame_structslave_find_frame_srt;

定义接收数据缓冲区：

#define SLAVE_REC_DATA_LEN  128
        uint8_t slave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN];

在串口初始化中调用结构体变量初始化函数：

init_find_frame_struct(&slave_find_frame_srt,slave_rec_buf,0xEE);

在串口接收中断中调用数据打包函数：

find_one_frame(&slave_find_frame_srt,tmp_rec_buf,data_len,SLAVE_REC_DATA_LEN);

其中，rec\_buf是串口接收临时缓冲区，data\_len是本次接收的数据长度。

### 4. 数据发送 ###

前文提到，传统的等待发送方式会浪费CPU资源，而中断发送方式虽然不会造成CPU资源浪费，但又增加了一个中断源。在我们的使用中发现，定时器中断是几乎每个应用都会使用的，我们可以利用定时器中断以及硬件FIFO来进行数据发送，通过合理设计后，这样的发送方法即不会造成CPU资源浪费，也不会多增加中断源和中断事件。

需要提前说明的是，这个方法并不是对所有应用都合适，对于那些没有开定时器中断的应用本方法当然是不支持的，另外如果定时器中断间隔较长而通讯波特率又特别高的话，本方法也不太适用。公司目前使用的通讯波特率一般比较小（1200bps、2400bps），在这些波特率下，定时器间隔为10ms以下（含10ms）就能满足。如果定时器间隔为1ms以下（含1ms），是可以使用115200bps的。

本方法主要思想是：定时器中断触发后，判断是否有数据要发送，如果有数据要发送并且满足发送条件，则将数据放入发送FIFO中，对于lpc1778来说，一次最多可以放16字节数据。之后硬件会自动启动发送，无需CPU参与。

下面介绍如何使用定时器发送数据，硬件载体为RS485。因为发送需要操作串口寄存器以及RS485方向控制引脚，需跟硬件密切相关，以下代码使用的硬件为lpc1778，但思想是通用的。

#### 4.1 定义数据结构 ####

1.  /*串口帧发送结构体*/  
    2.  typedef struct {  
    3.      uint16_t send_sum_len;          //要发送的帧数据长度  
    4.      uint8_t  send_cur_len;          //当前已经发送的数据长度  
    5.      uint8_t  send_flag;             //是否发送标志  
    6.      uint8_t * send_data;            //指向要发送的数据缓冲区  
    7.  }uart_send_struct;

#### 4.2 定时处理函数 ####

1.  /** 
    2.  * @brief    定时发送函数,在定时器中断中调用,不使用发送中断的情况下减少发送等待 
    3.  * @param    UARTx:指向硬件串口寄存器基地址 
    4.  * @param    p:指向串口帧发送结构体变量 
    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 &(0x01<<6))                      //发送为空  
    14.     {         
    15.         if(p->send_flag==FARME_SEND_FALG)  
    16.         {                          
    17.             RS485ClrDE;                             // 置485为发送状态  
    18.               
    19.             tmp32=p->send_sum_len-p->send_cur_len;  
    20.             if(tmp32>SEND_DATA_NUM)                 //向发送FIFO填充字节数据  
    21.             {  
    22.                 for(i=0;i<SEND_DATA_NUM;i++)  
    23.                 {  
    24.                     UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];  
    25.                 }  
    26.             }  
    27.             else  
    28.             {  
    29.                 for(i=0;i<tmp32;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为宏定义，设置RS485为发送模式；RS485SetDE也为宏定义，设置RS485为接收模式。

使用例子：

定义数据结构体变量：

uart_send_struct uart0_send_str;

定义发送缓冲区：

uint8_t uart0_send_buf[UART0_SEND_LEN];

根据使用的硬件串口，对定时处理函数做二次封装：

void uart0_send_data(void)
        {
            uart_send_com(LPC_UART0,&uart0_send_str);
        }

将封装函数uart0\_send\_data();放入定时器中断处理函数中；

在需要发送数据的地方，设置串口帧发送结构体变量：

uart0_send_str.send_sum_len=data_len;      //data_len为要发送的数据长度
        uart0_send_str.send_cur_len=0;           //固定为0
        uart0_send_str.send_data=uart0_send_buf;    //绑定发送缓冲区
        uart0_send_str.send_flag=FARME_SEND_FALG;   //设置发送标志

### 5. 总结 ###

本文主要讨论了一种高效的串口数据收发方法，并给出了具体的代码实现。在当前处理器任务不断增加的情况下，提供了一个占用资源少，可提高系统整体性能的新的思路。

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