本文介紹如何使用帶FIFO的串口來減少接收中斷次數(shù)，通過一種自定義通訊協(xié)議格式，給出幀打包方法；之后介紹一種特殊的串口數(shù)據(jù)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(tǒng)的響應(yīng)速度。

1、概述

在此之前，先來列舉一下傳統(tǒng)串口數(shù)據(jù)收發(fā)的不足之處：

每接收一個字節(jié)數(shù)據(jù)，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(shù)。

應(yīng)答數(shù)據(jù)采用等待發(fā)送的方法。由于串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間遠遠跟不上CPU的處理時間，等待串口發(fā)送完當(dāng)前字節(jié)再發(fā)送下一字節(jié)會造成CPU資源浪費，不利于系統(tǒng)整體響應(yīng)（在1200bps下，發(fā)送一字節(jié)大約需要10ms，如果一次發(fā)送幾十個字節(jié)數(shù)據(jù)，CPU會長時間處于等待狀態(tài)）。

應(yīng)答數(shù)據(jù)采用中斷發(fā)送。增加一個中斷源，增加系統(tǒng)的中斷次數(shù)，這會影響系統(tǒng)整體穩(wěn)定性（從可靠性角度考慮，中斷事件應(yīng)越少越好）。

針對上述的不足之處，將結(jié)合一個常用自定義通訊協(xié)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(shù)據(jù)接收FIFO和數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO通常是獨立的兩個硬件。 串口接收的數(shù)據(jù)，先放入接收FIFO中，當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達到觸發(fā)值（通常觸發(fā)值為1、2、4、8、14字節(jié)）或者FIFO中的數(shù)據(jù)雖然沒有達到設(shè)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(shù)據(jù)，則通知CPU產(chǎn)生接收中斷；發(fā)送的數(shù)據(jù)要先寫入發(fā)送FIFO，只要發(fā)送FIFO未空，硬件會自動發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)。寫入發(fā)送FIFO的字節(jié)個數(shù)受FIFO最大深度影響，通常一次寫入最多允許16字節(jié)。 上述列舉的數(shù)據(jù)跟具體的硬件有關(guān)，CPU類型不同，特性也不盡相同，使用前應(yīng)參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)手冊。

3、數(shù)據(jù)接收與打包

FIFO可以緩存串口接收到的數(shù)據(jù)，因此我們可以利用FIFO來減少中斷次數(shù)。以NXP的lpc1778芯片為例，接收FIFO的觸發(fā)級別可以設(shè)置為1、2、4、8、14字節(jié)，推薦使用8字節(jié)或者14字節(jié)，這也是PC串口接收FIFO的默認值。 這樣，當(dāng)接收到大量數(shù)據(jù)時，每8個字節(jié)或者14個字節(jié)才會產(chǎn)生一次中斷（最后一次接收除外），相比接收一個字節(jié)即產(chǎn)生一個中斷，這種方法串口接收中斷次數(shù)大大減少。將接收FIFO設(shè)置為8或者14字節(jié)也十分簡單，還是以lpc1778為例，只需要設(shè)置UART FIFO控制寄存器UnFCR即可。 接收的數(shù)據(jù)要符合通訊協(xié)議規(guī)定，數(shù)據(jù)與協(xié)議是密不可分的。通常我們需要將接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)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(xié)議幀格式，并給出一個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0xFF或者0xEE

地址號：要進行通訊的設(shè)備的地址編號，1字節(jié)

命令號：對應(yīng)不同的功能，1字節(jié)

長度：數(shù)據(jù)區(qū)域的字節(jié)個數(shù)，1字節(jié)

數(shù)據(jù)：與具體的命令號有關(guān)，數(shù)據(jù)區(qū)長度可以為0，整個幀的長度不應(yīng)超過256字節(jié)

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

下面介紹如何將接收到的數(shù)據(jù)按照圖3-1所示的格式打包成一幀。 3.1 定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) typedef?struct?
{??
????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FF或EE??
????uint8_t?sfd_count;??????????????????//幀首的個數(shù),一般3~5個??
????uint8_t?received_len;???????????????//已經(jīng)接收的字節(jié)數(shù)??
????uint8_t?find_fram_flag;?????????????//找到完整幀后,置1??
????uint8_t?frame_len;??????????????????//本幀數(shù)據(jù)總長度，這個區(qū)域是可選的??
}find_frame_struct;

3.2 初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，一般放在串口初始化中 /**?

*?@brief????初始化尋找?guī)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)?
*?@param????p_fine_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量?
*?@param????dst_buf:指向幀緩沖區(qū)?
*?@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;??
}? 3.3 數(shù)據(jù)打包程序 /**?
*?@brief????尋找一幀數(shù)據(jù)??返回處理的數(shù)據(jù)個數(shù)?
*?@param????p_find_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量?
*?@param????src_buf:指向串口接收的原始數(shù)據(jù)?
*?@param????data_len:src_buf本次串口接收到的原始數(shù)據(jù)個數(shù)?
*?@param????sum_len:幀緩存的最大長度?
*?@return???本次處理的數(shù)據(jù)個數(shù)?
*/??
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"長度"字節(jié)??Y->獲取這幀的數(shù)據(jù)長度??
????????????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(shù)據(jù)長度+校驗???????
????????????????if(p_find_frame->frame_len>=sum_len)??
????????????????{???//這里處理方法根據(jù)具體應(yīng)用不一定相同??
????????????????????MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,("數(shù)據(jù)長度超出緩存! "));??
????????????????????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;??
}?

使用例子：定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量： find_frame_struct?slave_find_frame_srt; 定義接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)： #define?SLAVE_REC_DATA_LEN??128
uint8_t?slave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN]; 在串口初始化中調(diào)用結(jié)構(gòu)體變量初始化函數(shù)： init_find_frame_struct(&slave_find_frame_srt,slave_rec_buf,0xEE); 在串口接收中斷中調(diào)用數(shù)據(jù)打包函數(shù)： 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(qū)，data_len是本次接收的數(shù)據(jù)長度。

4、數(shù)據(jù)發(fā)送

前文提到，傳統(tǒng)的等待發(fā)送方式會浪費CPU資源，而中斷發(fā)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(fā)現(xiàn)，定時器中斷是幾乎每個應(yīng)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(shù)據(jù)發(fā)送，通過合理設(shè)計后，這樣的發(fā)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(yīng)用都合適，對于那些沒有開定時器中斷的應(yīng)用本方法當(dāng)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(fā)后，判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送并且滿足發(fā)送條件，則將數(shù)據(jù)放入發(fā)送FIFO中，對于lpc1778來說，一次最多可以放16字節(jié)數(shù)據(jù)。之后硬件會自動啟動發(fā)送，無需CPU參與。下面介紹如何使用定時器發(fā)送數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

/*串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體*/??

typedef?struct?
{??
????uint16_t?send_sum_len;??????????//要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)長度??
????uint8_t??send_cur_len;??????????//當(dāng)前已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)長度??
????uint8_t??send_flag;?????????????//是否發(fā)送標志??
????uint8_t?*?send_data;????????????//指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)??
}uart_send_struct;?? 4.2 定時處理函數(shù) /**?
*?@brief????定時發(fā)送函數(shù),在定時器中斷中調(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)數(shù)據(jù)??
????????????{??
????????????????for(i=0;i ????????????????{??
????????????????????UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];??
????????????????}??
????????????}??
????????????else??
????????????{??
????????????????for(i=0;i ????????????????{??
????????????????????UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];??
????????????????}??
????????????????p->send_flag=0;??????????????????????
????????????}??
????????}??
????????else??
????????{??
????????????RS485SetDE;??
????????}??
????}??
}??

其中，RS485ClrDE為宏定義，設(shè)置RS485為發(fā)送模式；RS485SetDE也為宏定義，設(shè)置RS485為接收模式。使用例子：定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量：

uart_send_struct?uart0_send_str;

定義發(fā)送緩沖區(qū)：

uint8_t?uart0_send_buf[UART0_SEND_LEN];

根據(jù)使用的硬件串口，對定時處理函數(shù)做二次封裝：

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

將封裝函數(shù)uart0_send_data();放入定時器中斷處理函數(shù)中；在需要發(fā)送數(shù)據(jù)的地方，設(shè)置串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體變量：

uart0_send_str.send_sum_len=data_len;??????//data_len為要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度
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(qū)
uart0_send_str.send_flag=FARME_SEND_FALG;??//設(shè)置發(fā)送標志

編輯：黃飛

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