一種串口高效收發思路及方案

1. 簡介

串口由于使用簡單，價格低廉，配合RS485芯片可以實現長距離、抗干擾能力強的局域網絡而被廣泛使用。隨著產品功能的增多，需要處理的任務也越來越復雜，系統任務也越來越需要及時響應。絕大多數的現代單片機(ARM7、Cortex-M3)串口都帶有一定數量的硬件FIFO，本文將介紹如何使用硬件FIFO來減少接收中斷次數，提高發送效率。在此之前，先來列舉一下傳統串口數據收發的不足之處：

每接收一個字節數據，產生一次接收中斷。不能有效的利用串口硬件FIFO，減少中斷次數。

應答數據采用等待發送的方法。由于串行數據傳輸的時間遠遠跟不上CPU的處理時間，等待串口發送完當前字節再發送下一字節會造成CPU資源浪費，不利于系統整體響應(在1200bps下，發送一字節大約需要10ms，如果一次發送幾十個字節數據，CPU會長時間處于等待狀態)。

應答數據采用中斷發送。增加一個中斷源，增加系統的中斷次數，這會影響系統整體穩定性(從可靠性角度考慮，中斷事件應越少越好)。

針對上述的不足之處，將結合一個常用自定義通訊協議，提供一個完整的解決方案。

2. 串口FIFO

串口FIFO可以理解為串口專用的緩存，該緩存采用先進先出方式。數據接收FIFO和數據發送FIFO通常是獨立的兩個硬件。串口接收的數據，先放入接收FIFO中，當FIFO中的數據達到觸發值(通常觸發值為1、2、4、8、14字節)或者FIFO中的數據雖然沒有達到設定值但是一段時間(通常為3.5個字符傳輸時間)沒有再接收到數據，則通知CPU產生接收中斷;發送的數據要先寫入發送FIFO，只要發送FIFO未空，硬件會自動發送FIFO中的數據。寫入發送FIFO的字節個數受FIFO最大深度影響，通常一次寫入最多允許16字節。上述列舉的數據跟具體的硬件有關，CPU類型不同，特性也不盡相同，使用前應參考相應的數據手冊。

3. 數據接收與打包

FIFO可以緩存串口接收到的數據，因此我們可以利用FIFO來減少中斷次數。以NXP的lpc1778芯片為例，接收FIFO的觸發級別可以設置為1、2、4、8、14字節，推薦使用8字節或者14字節，這也是PC串口接收FIFO的默認值。這樣，當接收到大量數據時，每8個字節或者14個字節才會產生一次中斷(最后一次接收除外)，相比接收一個字節即產生一個中斷，這種方法串口接收中斷次數大大減少。

將接收FIFO設置為8或者14字節也十分簡單，還是以lpc1778為例，只需要設置UART FIFO控制寄存器UnFCR即可。

接收的數據要符合通訊協議規定，數據與協議是密不可分的。通常我們需要將接收到的數據根據協議打包成一幀，然后交由上層處理。下面介紹一個自定義的協議幀格式，并給出一個通用打包成幀的方法。

自定義協議格式如圖3-1所示。

圖3-1 公司常用通訊協議格式

幀首：通常是3~5個0xFF或者0xEE

地址號：要進行通訊的設備的地址編號，1字節

命令號：對應不同的功能，1字節

長度：數據區域的字節個數，1字節

數據：與具體的命令號有關，數據區長度可以為0，整個幀的長度不應超過256字節

校驗：異或和校驗(1字節)或者CRC16校驗(2字節)，本例使用CRC16校驗

下面介紹如何將接收到的數據按照圖3-1所示的格式打包成一幀。

3.1 定義數據結構

1. typedef struct {

2. uint8_t * dst_buf; //指向接收緩存

3. uint8_t sfd; //幀首標志,為0xFF或者0xEE

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

5. uint8_t sfd_count; //幀首的個數,一般3~5個

6. uint8_t received_len; //已經接收的字節數

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

8. uint8_t frame_len; //本幀數據總長度，這個區域是可選的

9. }find_frame_struct;

3.2 初始化數據結構，一般放在串口初始化中

1. /**

2. * @brief 初始化尋找幀的數據結構

3. * @param p_fine_frame:指向打包幀數據結構體變量

4. * @param dst_buf:指向幀緩沖區

5. * @param sfd:幀首標志,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 數據打包程序

1. /**

2. * @brief 尋找一幀數據 返回處理的數據個數

3. * @param p_find_frame:指向打包幀數據結構體變量

4. * @param src_buf:指向串口接收的原始數據

5. * @param data_len:src_buf本次串口接收到的原始數據個數

6. * @param sum_len:幀緩存的最大長度

7. * @return 本次處理的數據個數

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? Y->獲取這幀的數據長度

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+命令號+數據長度+校驗

38.

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

40. { //這里處理方法根據具體應用不一定相同

41. MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,(數據長度超出緩存!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：

定義數據結構體變量：

find_frame_structslave_find_frame_srt;

定義接收數據緩沖區：

#define SLAVE_REC_DATA_LEN 128

uint8_t slave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN];

在串口初始化中調用結構體變量初始化函數：

init_find_frame_struct(slave_find_frame_srt,slave_rec_buf,0xEE);

在串口接收中斷中調用數據打包函數：

find_one_frame(slave_find_frame_srt,tmp_rec_buf,data_len,SLAVE_REC_DATA_LEN);

其中，rec_buf是串口接收臨時緩沖區，data_len是本次接收的數據長度。

4. 數據發送

前文提到，傳統的等待發送方式會浪費CPU資源，而中斷發送方式雖然不會造成CPU資源浪費，但又增加了一個中斷源。在我們的使用中發現，定時器中斷是幾乎每個應用都會使用的，我們可以利用定時器中斷以及硬件FIFO來進行數據發送，通過合理設計后，這樣的發送方法即不會造成CPU資源浪費，也不會多增加中斷源和中斷事件。

需要提前說明的是，這個方法并不是對所有應用都合適，對于那些沒有開定時器中斷的應用本方法當然是不支持的，另外如果定時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，定時器間隔為10ms以下(含10ms)就能滿足。如果定時器間隔為1ms以下(含1ms)，是可以使用115200bps的。

本方法主要思想是：定時器中斷觸發后，判斷是否有數據要發送，如果有數據要發送并且滿足發送條件，則將數據放入發送FIFO中，對于lpc1778來說，一次最多可以放16字節數據。之后硬件會自動啟動發送，無需CPU參與。

下面介紹如何使用定時器發送數據，硬件載體為RS485。因為發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，以下代碼使用的硬件為lpc1778，但思想是通用的。

4.1 定義數據結構

1. /*串口幀發送結構體*/

2. typedef struct {

3. uint16_t send_sum_len; //要發送的幀數據長度

4. uint8_t send_cur_len; //當前已經發送的數據長度

5. uint8_t send_flag; //是否發送標志

6. uint8_t * send_data; //指向要發送的數據緩沖區

7. }uart_send_struct;

4.2 定時處理函數

1. /**

2. * @brief 定時發送函數,在定時器中斷中調用,不使用發送中斷的情況下減少發送等待

3. * @param UARTx:指向硬件串口寄存器基地址

4. * @param p:指向串口幀發送結構體變量

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)) //發送為空

14. {

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

16. {

17. RS485ClrDE; // 置485為發送狀態

18.

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

20. if(tmp32>SEND_DATA_NUM) //向發送FIFO填充字節數據

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，設置RS485為發送模式;RS485SetDE也為宏定義，設置RS485為接收模式。

使用例子：

定義數據結構體變量：

uart_send_struct uart0_send_str;

定義發送緩沖區：

uint8_t uart0_send_buf[UART0_SEND_LEN];

根據使用的硬件串口，對定時處理函數做二次封裝：

void uart0_send_data(void)

{

uart_send_com(LPC_UART0,uart0_send_str);

}

將封裝函數uart0_send_data();放入定時器中斷處理函數中;

在需要發送數據的地方，設置串口幀發送結構體變量：

uart0_send_str.send_sum_len=data_len; //data_len為要發送的數據長度

uart0_send_str.send_cur_len=0; //固定為0

uart0_send_str.send_data=uart0_send_buf; //綁定發送緩沖區

uart0_send_str.send_flag=FARME_SEND_FALG; //設置發送標志

5. 總結

本文主要討論了一種高效的串口數據收發方法，并給出了具體的代碼實現。在當前處理器任務不斷增加的情況下，提供了一個占用資源少，可提高系統整體性能的新的思路。