分享一個(gè)串口高效收發(fā)數據的方案
發(fā)布人：xiaomaidashu
時(shí)間：2024-01-05
來(lái)源：工程師
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摘要：本文在探討傳統數據收發(fā)不足之后，介紹如何使用帶FIFO的串口來(lái)減少接收中斷次數，通過(guò)一種自定義通訊協(xié)議格式，給出幀打包方法；之后介紹一種特殊的串口數據發(fā)送方法，可在避免使用串口發(fā)送中斷的情況下，提高系統的響應速度。
1. 簡(jiǎn)介串口由于使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，配合RS485芯片可以實(shí)現長(cháng)距離、抗干擾能力強的局域網(wǎng)絡(luò )而被廣泛使用。隨著(zhù)產(chǎn)品功能的增多，需要處理的任務(wù)也越來(lái)越復雜，系統任務(wù)也越來(lái)越需要及時(shí)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(lái)減少接收中斷次數，提高發(fā)送效率。在此之前，先來(lái)列舉一下傳統串口數據收發(fā)的不足之處：（1）每接收一個(gè)字節數據，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。（2）應答數據采用等待發(fā)送的方法。由于串行數據傳輸的時(shí)間遠遠跟不上CPU的處理時(shí)間，等待串口發(fā)送完當前字節再發(fā)送下一字節會(huì )造成CPU資源浪費，不利于系統整體響應（在1200bps下，發(fā)送一字節大約需要10ms，如果一次發(fā)送幾十個(gè)字節數據，CPU會(huì )長(cháng)時(shí)間處于等待狀態(tài)）。（3）應答數據采用中斷發(fā)送。增加一個(gè)中斷源，增加系統的中斷次數，這會(huì )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）。（4）針對上述的不足之處，將結合一個(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(zhuān)用的緩存，該緩存采用先進(jìn)先出方式。數據接收FIFO和數據發(fā)送FIFO通常是獨立的兩個(gè)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(fā)值（通常觸發(fā)值為1、2、4、8、14字節）或者FIFO中的數據雖然沒(méi)有達到設定值但是一段時(shí)間（通常為3.5個(gè)字符傳輸時(shí)間）沒(méi)有再接收到數據，則通知CPU產(chǎn)生接收中斷；發(fā)送的數據要先寫(xiě)入發(fā)送FIFO，只要發(fā)送FIFO未空，硬件會(huì )自動(dòng)發(fā)送FIFO中的數據。寫(xiě)入發(fā)送FIFO的字節個(gè)數受FIFO最大深度影響，通常一次寫(xiě)入最多允許16字節。上述列舉的數據跟具體的硬件有關(guān)，CPU類(lèi)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(lái)減少中斷次數。以NXP的lpc1778芯片為例，接收FIFO的觸發(fā)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(shí)，每8個(gè)字節或者14個(gè)字節才會(huì )產(chǎn)生一次中斷（最后一次接收除外），相比接收一個(gè)字節即產(chǎn)生一個(gè)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(jiǎn)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(xié)議規定，數據與協(xié)議是密不可分的。通常我們需要將接收到的數據根據協(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。
- 幀首：通常是3~5個(gè)0xFF或者0xEE
- 地址號：要進(jìn)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(cháng)度：數據區域的字節個(gè)數，1字節
- 數據：與具體的命令號有關(guān)，數據區長(cháng)度可以為0，整個(gè)幀的長(cháng)度不應超過(guò)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
typedef struct3.2 初始化數據結構，一般放在串口初始化中
{
uint8_t * dst_buf; //指向接收緩存
uint8_t sfd; //幀首標志,為0xFF或者0xEE
uint8_t sfd_flag; //找到幀首,一般是3~5個(gè)FF或EE
uint8_t sfd_count; //幀首的個(gè)數,一般3~5個(gè)
uint8_t received_len; //已經(jīng)接收的字節數
uint8_t find_fram_flag; //找到完整幀后,置1
uint8_t frame_len; //本幀數據總長(cháng)度，這個(gè)區域是可選的
}find_frame_struct;
/**3.3 數據打包程序
* @brief 初始化尋找幀的數據結構
* @param p_fine_frame:指向打包幀數據結構體變量
* @param dst_buf:指向幀緩沖區
* @param sfd:幀首標志,一般為0xFF或者0xEE
*/
void init_find_frame_struct(find_frame_struct * p_find_frame,uint8_t *dst_buf,uint8_t sfd) {
p_find_frame->dst_buf=dst_buf;
p_find_frame->sfd=sfd;
p_find_frame->find_fram_flag=0;
p_find_frame->frame_len=10;
p_find_frame->received_len=0;
p_find_frame->sfd_count=0;
p_find_frame->sfd_flag=0;
}
/**使用例子：定義數據結構體變量：
* @brief 尋找一幀數據 返回處理的數據個(gè)數
* @param p_find_frame:指向打包幀數據結構體變量
* @param src_buf:指向串口接收的原始數據
* @param data_len:src_buf本次串口接收到的原始數據個(gè)數
* @param sum_len:幀緩存的最大長(cháng)度
* @return 本次處理的數據個(gè)數
*/
uint32_t find_one_frame(find_frame_struct * p_find_frame,const uint8_t * src_buf,uint32_t data_len,uint32_t sum_len) {
uint32_t src_len=0;
while(data_len--)
{
if(p_find_frame ->sfd_flag==0)
{ //沒(méi)有找到起始幀首
if(src_buf[src_len++]==p_find_frame ->sfd)
{
p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame ->received_len++]=p_find_frame ->sfd;
if(++p_find_frame ->sfd_count==5)
{
p_find_frame ->sfd_flag=1;
p_find_frame ->sfd_count=0;
p_find_frame ->frame_len=10;
}
}
else
{
p_find_frame ->sfd_count=0;
p_find_frame ->received_len=0;
}
}
else
{ //是否是"長(cháng)度"字節? Y->獲取這幀的數據長(cháng)度
if(7==p_find_frame ->received_len)
{
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(cháng)度+校驗
if(p_find_frame->frame_len>=sum_len)
{ //這里處理方法根據具體應用不一定相同
MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,("數據長(cháng)度超出緩存!n"));
p_find_frame->frame_len= sum_len;
}
}
p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame->received_len++]=src_buf[src_len++];
if(p_find_frame ->received_len==p_find_frame ->frame_len)
{
p_find_frame ->received_len=0; //一幀完成
p_find_frame ->sfd_flag=0;
p_find_frame ->find_fram_flag=1;
return src_len;
}
}
}
p_find_frame ->find_fram_flag=0;
return src_len;
}
find_frame_struct slave_find_frame_srt;定義接收數據緩沖區：
#define SLAVE_REC_DATA_LEN 128在串口初始化中調用結構體變量初始化函數：
uint8_t slave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN];
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(shí)緩沖區，data_len是本次接收的數據長(cháng)度。4.數據發(fā)送前文提到，傳統的等待發(fā)送方式會(huì )浪費CPU資源，而中斷發(fā)送方式雖然不會(huì )造成CPU資源浪費，但又增加了一個(gè)中斷源。在我們的使用中發(fā)現，定時(shí)器中斷是幾乎每個(gè)應用都會(huì )使用的，我們可以利用定時(shí)器中斷以及硬件FIFO來(lái)進(jìn)行數據發(fā)送，通過(guò)合理設計后，這樣的發(fā)送方法即不會(huì )造成CPU資源浪費，也不會(huì )多增加中斷源和中斷事件。需要提前說(shuō)明的是，這個(gè)方法并不是對所有應用都合適，對于那些沒(méi)有開(kāi)定時(shí)器中斷的應用本方法當然是不支持的，另外如果定時(shí)器中斷間隔較長(cháng)而通訊波特率又特別高的話(huà)，本方法也不太適用。公司目前使用的通訊波特率一般比較?。?200bps、2400bps），在這些波特率下，定時(shí)器間隔為10ms以下（含10ms）就能滿(mǎn)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，判斷是否有數據要發(fā)送，如果有數據要發(fā)送并且滿(mǎn)足發(fā)送條件，則將數據放入發(fā)送FIFO中，對于lpc1778來(lái)說(shuō)，一次最多可以放16字節數據。之后硬件會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)送，無(wú)需CPU參與。下面介紹如何使用定時(shí)器發(fā)送數據，硬件載體為RS485。因為發(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 定義數據結構
/*串口幀發(fā)送結構體*/4.2 定時(shí)處理函數
typedef struct
{
uint16_t send_sum_len; //要發(fā)送的幀數據長(cháng)度
uint8_t send_cur_len; //當前已經(jīng)發(fā)送的數據長(cháng)度
uint8_t send_flag; //是否發(fā)送標志
uint8_t * send_data; //指向要發(fā)送的數據緩沖區
}uart_send_struct;
/**其中，RS485ClrDE為宏定義，設置RS485為發(fā)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：
* @brief 定時(shí)發(fā)送函數,在定時(shí)器中斷中調用,不使用發(fā)送中斷的情況下減少發(fā)送等待
* @param UARTx:指向硬件串口寄存器基地址
* @param p:指向串口幀發(fā)送結構體變量
*/
#define FARME_SEND_FALG 0x5A
#define SEND_DATA_NUM 12
static void uart_send_com(LPC_UART_TypeDef *UARTx,uart_send_struct *p) {
uint32_t i;
uint32_t tmp32;
if(UARTx->LSR &(0x01<<6)) //發(fā)送為空
{
if(p->send_flag==FARME_SEND_FALG)
{
RS485ClrDE; // 置485為發(fā)送狀態(tài)
tmp32=p->send_sum_len-p->send_cur_len;
if(tmp32>SEND_DATA_NUM) //向發(fā)送FIFO填充字節數據
{
for(i=0;i<SEND_DATA_NUM;i++)
{
UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];
}
}
else
{
for(i=0;i<tmp32;i++)
{
UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];
}
p->send_flag=0;
}
}
else
{
RS485SetDE;
}
}
}
uart_send_struct uart0_send_str;定義發(fā)送緩沖區：
uint8_t uart0_send_buf[UART0_SEND_LEN];根據使用的硬件串口，對定時(shí)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(shí)器中斷處理函數中；在需要發(fā)送數據的地方，設置串口幀發(fā)送結構體變量：uart0_send_str.send_sum_len=data_len; //data_len為要發(fā)送的數據長(cháng)度5. 總結本文主要討論了一種高效的串口數據收發(fā)方法，并給出了具體的代碼實(shí)現。在當前處理器任務(wù)不斷增加的情況下，提供了一個(gè)占用資源少，可提高系統整體性能的新的思路。
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
uart0_send_str.send_flag=FARME_SEND_FALG; //設置發(fā)送標志
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