PC机与嵌入式设备通信协议设计的原则？

嵌入式设备在运行中需要设置参数，这个工作经常由PC机来实现，需要为双方通信设计协议，有代表性协议是如下三种：

从上表可以看出，在一般的嵌入式设备中，内存和计算性能都是有限的，因此采用”固定二进制”是首选的通信协议。

一. 简单性

确保协议是简单的方案，因为复杂和晦涩的协议通常意味着实现困难和易出错。协议的结构应该是平面的，每个字段的作用明确，数据字段应尽可能设计为长度和位置固定，同时应提供详尽的注释和清晰的文档，以及丰富的实例，以便用户能够快速上手和理解。

一般协议需要以下字段：帧头、长度、帧类型、目标地址、源地址、数据、校验、帧尾。

二. 可扩展性

必须确保协议在增加功能和更改硬件后仍能正常工作，通常可以通过预留空间来实现。协议的变更应该只涉及数量上的增加，而不会引起协议结构的变化。这样可以确保协议在未来能够灵活地适应功能扩展和硬件变更的需求。

三． 低耦合

理想情况下每个协议包是原子信息，即本协议包不与其他协议包牵连，以防止通讯丢帧和设置牵连带来的错误。

四． 稳定性

协议包长度适宜：太小包含的信息过少，协议包的种类繁多，容易引起通讯混乱和牵连错误；太大包含的信息过多，可读性较差，组帧和解帧的工作困难，还会带来通讯易受干扰的缺陷，一般协议长度以最小原子性信息为标尺。

协议必须包括校验机制，以便于接收方判别协议包正确完整接收，如果出错需要较好的机制来确保通讯成功（如重传）。

五． 高效率

按信息类型区分协议包类别，如：设置网络信息参数，设置当前运行参数，可以区分开来，方便程序处理。

将同种操作编码为一个子集是一种高效手段，如Read操作，编码为0x0010，Write操作，编码为0x0020。

数据尽可能设计成同构模式，如果实在有差异，至少将同类型数据放置在一起，这样程序可以充分利用指针和线性寻址加速处理。

六． 易实现

尽量减少复杂算法的使用，如，通讯链路稳定，数据帧的校验码可以由CheckSum代替CRC。除非资源非常紧张，否则不要将过多的信息挤压在一个数据里，因为它会带来可读性差和实现困难。

七．软件开发

尽可能地让硬件ISR完成驱动工作，不要让“进程”参与复杂的时序逻辑，否则处理器将步履蹒跚且逻辑复杂！如：

接收固定长度的数据帧，可以使用DMA，每接收完一帧DMA_ISR向进程发消息。小心处理DMA断层异常（接收的数据帧长度正常但数据错误，数据为上帧的后半部分+本帧的前半部分）。

接收不定长的数据帧，可以使用状态机，当接收到“帧尾数据”时向进程发消息。

“

相关文章：?如何高效解析不定长度的协议帧？

”

小心数据紊乱和超时异常（数据紊乱时需要将状态机及时复位，超时一般使用定时器监控）。

八. 考虑硬件

如果通信链路是高速总线（如SPORT可达100Mbps），一般设计成一帧产生一次中断，它通过长度触发的DMA来实现，需要将协议设计成固定长度，如附录A。它具备高效率，但灵活性较差。

如果通信链路是低速总线（如UART一般100kbps），一般接收一字节产生一次中断，可以将协议设计成变长帧，如附录B。它具备高灵活性，但效率较低。

附录A 一个基于DMA传输固定长度的协议实例

如图显示了PC发送数据帧的格式，总长为64字节，是4字节的整倍数，符合绝大部分32位处理器结构体对齐的特性。

• 0x3C：INT8U，帧头，可见字符’
• Len：INT8U，本帧的总数据长度，在图4即为64
• Dst：INT8U，标识目标设备的ID号
• Src：INT8U，标识源设备的ID号
• Data：56字节的存储区，内容依赖于具体的通信帧（实例见表2）
• Cmd：INT16U，数据帧的类别
• CS：INT8U, 对它前面所有数据（62字节）进行8位累加和校验
• 0x7D：INT8U, 帧尾，可见字符’｝’

Data域数据结构实例：

附录B 一个基于变长格式的UART通信协议实例

PC与iWL880A（一种无线通信产品，详见www.rimelink.com）通信帧采用变长格式，如下图所示。大部分设备（常见为PC机）对于接收以“回车符”的机制很好处理，协议中的Tail就等于0x0D(换行符)。

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