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：

根据上表的内容可以得出，对于一般的嵌入式设备来说，由于内存和运算性能有限，因此选择使用”固定二进制”作为首选通信协议。

一． 简单性

保证协议的简单性是一个关键因素，因为复杂的协议往往难以实现并容易出错。协议的结构应该采用平面方式，每个域的作用应该明确，数据域的长度和位置应该尽可能固定，并且需要提供详尽的注释和清晰的文档，同时还需要提供丰富的实例，以便让人们能够迅速上手和理解。

一般情况下，协议需要包含以下域：帧头、长度、帧类型、目标地址、源地址、数据、校验和帧尾。

二． 可扩展性

协议必须能够在增加功能或更改硬件后继续正常工作，通常通过预留空间来实现。协议的变更应该只涉及新增的内容，而不应导致协议结构的变化。

三． 低耦合性

理想情况下，每个协议包都应该是原子信息，即本协议包与其他协议包没有关联，以防止由通信丢帧和设置相关带来的错误。

四． 稳定性

协议包的长度应适中：如果太小，包含的信息过少，会导致协议包数量繁多，容易引起通信混乱和相关性错误；如果太大，包含的信息过多，可读性较差，而且组帧和解帧的工作困难，还会增加通信易受干扰的风险。一般来说，协议的长度应根据最小原子信息来确定。

协议必须包括校验机制，以便接收方能够判断协议包的正确性和完整性。如果发生错误，需要有良好的机制来确保通信的成功，比如重传机制。

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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