嵌入式系統上的異步串口通信的實現

　　在嵌入式系統中，異步串口(UART)使用非常頻繁，可以用于與各種外部系統(幀括PC)之間的通信。在硬件上UART通過在每個字節的傳輸中插入開始位和停止位，保證接收端可以正確地找到字節的開始和結束，同時也可以通過插入奇偶校驗位，讓接收端檢驗收到的字節是否正確。而且，由于有開始位和停止位的存在，使得字節之間可以插入任意的空閑位(與停止位同為高電平)，而不影響下一個字節的正常傳輸。因此，UART硬件保證了每個字節的正確傳輸，并可以有效檢出字節傳輸的錯誤。但并不保證一串字節的正確傳輸，這需要軟件來完成。

　　從軟件的角度來看，所有的通信都是一串字節(叫做數據幀)的連續傳輸。軟件需要采用適當的機制來保證接收端能夠正確識別出一個完整的數據幀、能夠檢查接收到的數據幀是正確的、在傳輸發生錯誤時有合適的恢復機制。為此就需要定義一個合適的數據幀格式。

　　數據幀的提取

　　為了識別出一個完整的數據幀，基本上有兩個機制：一是在軟件上規定字節之間的間隔最大值，一旦兩個字節間的間隔超過某個閾值，就認為一個數據幀結束;另一種機制不對字節間的間隔作規定，而是用特殊的字節來定義數據報的開始和結束，當收到該特殊字節時，就認為一個數據幀的傳輸已完成。

　　采用第一種機制的，比如Modbus-RTU。就是規定了同一個數據幀的字節間隔不能大于1.5個字節的傳輸時間，一旦大于該間隔，則認為前一個幀的傳輸已經結束，或者出錯。同時為了保證不同數據幀之間有足夠的間隔，還規定了兩個數據幀之間最少插入3.5個字節的空閑位。下圖摘自Modbus協議，表示了一個正確的數據幀、錯誤的數據幀以及數據幀之間的間隔。同時在數據報中引入了CRC，用于檢出數據幀層面的傳輸錯誤。

　　第二種機制需要選用一個特殊字節作為幀頭幀尾(也可以給幀頭幀尾選用不同的字節)，比如說，選用0xFF作為幀頭幀尾字節，也即發送端在每個數據幀的頭尾都插入至少一個0xFF，接收端收到該字節就結束上一個幀的接收，同時從下一個非0xFF字節開始一個新的數據幀的接收。但該機制有一個問題，那就是所選的特殊字節(此處是0xFF)也可能是數據幀中的一個有效字節，如果不作特殊處理，接收端就可能把這個數據幀中的字節誤認為是數據幀的結束標識，從而導致接收錯誤。因此，此處采取字節替換的特殊處理，以消除在數據幀的中間出現的特殊字節，以下是一個例子。

　　在此處，選0xFE作為字節替換的標識字節，將0xFF替換成0xFE 0x0F。由于0xFE是字節替換的標志，也成了一個特殊字符，同樣需要進行替換。在上圖中，將0xFE替換成0xFE 0x0E。

　　采用該機制時，發送端對數據幀中的所有0xFF，0xFE進行替換。在接收端則進行反向替換。如果在接收端的0xFE后面的字節收到非0x0F，0x0E的字符，說明發生了傳輸錯誤，丟棄已經接收的內容，重新搜索幀頭字符開始一個新數據幀的接收。

　　數據幀的校驗

　　考慮到串口通信有一定的誤碼率，無論是采用那種傳輸方式，必須有錯誤幀檢出機制。通常選用的是CRC。一般用2個字節或4個字節。

　　串口驅動的實現

　　在嵌入式系統中，串口驅動的實現一般有兩個途徑：一個是通過串口的收發中斷與串口控制器的Buffer直接交換數據;另一種是通過DMA，利用DMA與串口Buffer交互自動收發數據。

　　與串口控制器直接交互的方式，實現簡單，既可以實時進行字節替換以節省內存，也可以方便設置字節間的定時器。但頻繁打斷CPU，對有一定BUFFER大小的串口，還可以利用BUFFER進行性能優化，而對一些只有一個字節或兩個字節BUFFER的串口，就需要一個字節起一次中斷，如果CPU負荷較重，很容易由于中斷處理不及時而導致字節丟失，特別是在高波特率的情況。

　　利用DMA與串口控制器交互的方式，由于不能實時進行字節替換，需要在放入DMA之前完成字節替換，導致占用較大內存空間。另外對于字節間間隔敏感的傳輸策略，需要用另外的機制，比如PRS，去操作定時器。用DMA的另一個問題是在接收時無法實時確定幀尾(采用幀頭幀尾模式時)，一般只能采用定時器與DMA配合，用字節流的方式處理接收。