嵌入式系統上的異步串口通信的實(shí)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(guò)在每個(gè)字節的傳輸中插入開(kāi)始位和停止位，保證接收端可以正確地找到字節的開(kāi)始和結束，同時(shí)也可以通過(guò)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(kāi)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(gè)字節的正常傳輸。因此，UART硬件保證了每個(gè)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(lái)完成。

　　從軟件的角度來(lái)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(lái)保證接收端能夠正確識別出一個(gè)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(fā)生錯誤時(shí)有合適的恢復機制。為此就需要定義一個(gè)合適的數據幀格式。

　　數據幀的提取

　　為了識別出一個(gè)完整的數據幀，基本上有兩個(gè)機制：一是在軟件上規定字節之間的間隔最大值，一旦兩個(gè)字節間的間隔超過(guò)某個(gè)閾值，就認為一個(gè)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(lái)定義數據報的開(kāi)始和結束，當收到該特殊字節時(shí)，就認為一個(gè)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(gè)數據幀的字節間隔不能大于1.5個(gè)字節的傳輸時(shí)間，一旦大于該間隔，則認為前一個(gè)幀的傳輸已經(jīng)結束，或者出錯。同時(shí)為了保證不同數據幀之間有足夠的間隔，還規定了兩個(gè)數據幀之間最少插入3.5個(gè)字節的空閑位。下圖摘自Modbus協(xié)議，表示了一個(gè)正確的數據幀、錯誤的數據幀以及數據幀之間的間隔。同時(shí)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(gè)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(shuō)，選用0xFF作為幀頭幀尾字節，也即發(fā)送端在每個(gè)數據幀的頭尾都插入至少一個(gè)0xFF，接收端收到該字節就結束上一個(gè)幀的接收，同時(shí)從下一個(gè)非0xFF字節開(kāi)始一個(gè)新的數據幀的接收。但該機制有一個(gè)問(wèn)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(gè)有效字節，如果不作特殊處理，接收端就可能把這個(gè)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(gè)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(gè)特殊字符，同樣需要進(jìn)行替換。在上圖中，將0xFE替換成0xFE 0x0E。

　　采用該機制時(shí)，發(fā)送端對數據幀中的所有0xFF，0xFE進(jìn)行替換。在接收端則進(jìn)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(shuō)明發(fā)生了傳輸錯誤，丟棄已經(jīng)接收的內容，重新搜索幀頭字符開(kāi)始一個(gè)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(wú)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(gè)字節或4個(gè)字節。

　　串口驅動(dòng)的實(shí)現

　　在嵌入式系統中，串口驅動(dòng)的實(shí)現一般有兩個(gè)途徑：一個(gè)是通過(guò)串口的收發(fā)中斷與串口控制器的Buffer直接交換數據;另一種是通過(guò)DMA，利用DMA與串口Buffer交互自動(dòng)收發(fā)數據。

　　與串口控制器直接交互的方式，實(shí)現簡(jiǎn)單，既可以實(shí)時(shí)進(jìn)行字節替換以節省內存，也可以方便設置字節間的定時(shí)器。但頻繁打斷CPU，對有一定BUFFER大小的串口，還可以利用BUFFER進(jìn)行性能優(yōu)化，而對一些只有一個(gè)字節或兩個(gè)字節BUFFER的串口，就需要一個(gè)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(shí)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(shí)時(shí)進(jìn)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(shí)器。用DMA的另一個(gè)問(wèn)題是在接收時(shí)無(wú)法實(shí)時(shí)確定幀尾(采用幀頭幀尾模式時(shí))，一般只能采用定時(shí)器與DMA配合，用字節流的方式處理接收。