摘要：本文将探讨传统数据收发方案的不足，并介绍了一种使用带有FIFO的串口来减少接收中断次数的方法。通过采用自定义通讯协议和帧打包技术，可以提高系统的响应速度，并避免使用串口发送中断。
1. 引言
串口作为一种简单易用、价格低廉的通讯方式，结合RS485芯片可以实现长距离传输以及良好的抗干扰能力，因此被广泛应用。然而，随着产品功能的增加，对系统的要求也越来越高，需要及时响应各种任务。
大多数现代单片机（如ARM7、Cortex-M3）的串口都配备了硬件FIFO功能。本文将介绍如何利用硬件FIFO来减少接收中断次数，提高发送效率。首先，我们先来看一下传统串口数据收发的不足之处：
（1）每接收一个字节的数据就会触发一次接收中断，这无法充分利用串口的硬件FIFO来减少中断次数。
（2）对于应答数据，通常采用等待发送的方式。然而，串行数据传输的速度远低于CPU的处理速度，如果在发送完一个字节之后等待串口发送完当前字节再发送下一个字节，就会导致CPU资源的浪费，不利于系统的整体响应能力（特别是在低速传输下，如1200bps，发送一个字节大约需要10ms，如果一次发送多个字节的数据，CPU需要长时间处于等待状态）。
（3）另外一种应答数据发送方式是采用中断发送。这样会增加系统的中断次数，从而影响系统的整体稳定性（出于可靠性考虑，中断事件应该尽可能减少）。
（4）鉴于上述问题，本文将结合一种常用的自定义通讯协议，提供一个完整的解决方案，以改进传统方案中存在的不足之处。
2.串口FIFO
串口FIFO可以理解为串口专用的缓存，该缓存采用先进先出方式。数据接收FIFO和数据发送FIFO通常是独立的两个硬件。
串口接收的数据，先放入接收FIFO中，当FIFO中的数据达到触发值（通常触发值为1、2、4、8、14字节）或者FIFO中的数据虽然没有达到设定值但是一段时间（通常为3.5个字符传输时间）没有再接收到数据，则通知CPU产生接收中断；发送的数据要先写入发送FIFO，只要发送FIFO未空，硬件会自动发送FIFO中的数据。
写入发送FIFO的字节个数受FIFO最大深度影响，通常一次写入最多允许16字节。上述列举的数据跟具体的硬件有关，CPU类型不同，特性也不尽相同，使用前应参考相应的数据手册。
3.数据接收与打包
FIFO可以缓存串口接收到的数据，因此我们可以利用FIFO来减少中断次数。以NXP的lpc1778芯片为例，接收FIFO的触发级别可以设置为1、2、4、8、14字节，推荐使用8字节或者14字节，这也是PC串口接收FIFO的默认值。
这样，当接收到大量数据时，每8个字节或者14个字节才会产生一次中断（最后一次接收除外），相比接收一个字节即产生一个中断，这种方法串口接收中断次数大大减少。
将接收FIFO设置为8或者14字节也十分简单，还是以lpc1778为例，只需要设置UART FIFO控制寄存器UnFCR即可。
接收的数据要符合通讯协议规定，数据与协议是密不可分的。通常我们需要将接收到的数据根据协议打包成一帧，然后交由上层处理。下面介绍一个自定义的协议帧格式，并给出一个通用打包成帧的方法。
自定义协议格式如图3-1所示。
-
帧首：通常是3~5个0xFF或者0xEE -
地址号：要进行通讯的设备的地址编号，1字节 -
命令号：对应不同的功能，1字节 -
长度：数据区域的字节个数，1字节 -
数据：与具体的命令号有关，数据区长度可以为0，整个帧的长度不应超过256字节 -
校验：异或和校验（1字节）或者CRC16校验（2字节），本例使用CRC16校验
下面介绍如何将接收到的数据按照图3-1所示的格式打包成一帧。
3.1 定义数据结构
typedef struct
{
uint8_t * dst_buf; //指向接收缓存
uint8_t sfd; //帧首标志,为0xFF或者0xEE
uint8_t sfd_flag; //找到帧首,一般是3~5个FF或EE
uint8_t sfd_count; //帧首的个数,一般3~5个
uint8_t received_len; //已经接收的字节数
uint8_t find_fram_flag; //找到完整帧后,置1
uint8_t frame_len; //本帧数据总长度，这个区域是可选的
}find_frame_struct;
3.2 初始化数据结构，一般放在串口初始化中
/**
* @brief 初始化寻找帧的数据结构
* @param p_fine_frame:指向打包帧数据结构体变量
* @param dst_buf:指向帧缓冲区
* @param sfd:帧首标志,一般为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 数据打包程序
/**
* @brief 寻找一帧数据 返回处理的数据个数
* @param p_find_frame:指向打包帧数据结构体变量
* @param src_buf:指向串口接收的原始数据
* @param data_len:src_buf本次串口接收到的原始数据个数
* @param sum_len:帧缓存的最大长度
* @return 本次处理的数据个数
*/
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)
{ //没有找到起始帧首
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"长度"字节? Y->获取这帧的数据长度
if(7==p_find_frame ->received_len)
{
p_find_frame->frame_len=src_buf[src_len]+5+1+1+1+2; //帧首+地址号+命令号+数据长度+校验
if(p_find_frame->frame_len>=sum_len)
{ //这里处理方法根据具体应用不一定相同
MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,("数据长度超出缓存!\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; //一帧完成
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：
定义数据结构体变量：
find_frame_struct slave_find_frame_srt;
定义接收数据缓冲区：
#define SLAVE_REC_DATA_LEN 128
uint8_t slave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN];
在串口初始化中调用结构体变量初始化函数：
init_find_frame_struct(&slave_find_frame_srt,slave_rec_buf,0xEE);
在串口接收中断中调用数据打包函数：
find_one_frame(&slave_find_frame_srt,tmp_rec_buf,data_len,SLAVE_REC_DATA_LEN);
其中，rec_buf是串口接收临时缓冲区，data_len是本次接收的数据长度。
4.数据发送
前文提到，传统的等待发送方式会浪费CPU资源，而中断发送方式虽然不会造成CPU资源浪费，但又增加了一个中断源。在我们的使用中发现，定时器中断是几乎每个应用都会使用的，我们可以利用定时器中断以及硬件FIFO来进行数据发送，通过合理设计后，这样的发送方法即不会造成CPU资源浪费，也不会多增加中断源和中断事件。
需要提前说明的是，这个方法并不是对所有应用都合适，对于那些没有开定时器中断的应用本方法当然是不支持的，另外如果定时器中断间隔较长而通讯波特率又特别高的话，本方法也不太适用。
公司目前使用的通讯波特率一般比较小（1200bps、2400bps），在这些波特率下，定时器间隔为10ms以下（含10ms）就能满足。如果定时器间隔为1ms以下（含1ms），是可以使用115200bps的。
本方法主要思想是：定时器中断触发后，判断是否有数据要发送，如果有数据要发送并且满足发送条件，则将数据放入发送FIFO中，对于lpc1778来说，一次最多可以放16字节数据。之后硬件会自动启动发送，无需CPU参与。
下面介绍如何使用定时器发送数据，硬件载体为RS485。因为发送需要操作串口寄存器以及RS485方向控制引脚，需跟硬件密切相关，以下代码使用的硬件为lpc1778，但思想是通用的。
4.1 定义数据结构
/*串口帧发送结构体*/
typedef struct
{
uint16_t send_sum_len; //要发送的帧数据长度
uint8_t send_cur_len; //当前已经发送的数据长度
uint8_t send_flag; //是否发送标志
uint8_t * send_data; //指向要发送的数据缓冲区
}uart_send_struct;
4.2 定时处理函数
/**
* @brief 定时发送函数,在定时器中断中调用,不使用发送中断的情况下减少发送等待
* @param UARTx:指向硬件串口寄存器基地址
* @param p:指向串口帧发送结构体变量
*/
#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 &(0x01if(p->send_flag==FARME_SEND_FALG)
{
RS485ClrDE; // 置485为发送状态
tmp32=p->send_sum_len-p->send_cur_len;
if(tmp32>SEND_DATA_NUM) //向发送FIFO填充字节数据
{
for(i=0;iTHR=p->send_data[p->send_cur_len++];
}
}
else
{
for(i=0;iTHR=p->send_data[p->send_cur_len++];
}
p->send_flag=0;
}
}
else
{
RS485SetDE;
}
}
}
其中，RS485ClrDE为宏定义，设置RS485为发送模式；RS485SetDE也为宏定义，设置RS485为接收模式。
使用例子：
定义数据结构体变量：
uart_send_struct uart0_send_str;
定义发送缓冲区：
uint8_t uart0_send_buf[UART0_SEND_LEN];
根据使用的硬件串口，对定时处理函数做二次封装：
void uart0_send_data(void)
{
uart_send_com(LPC_UART0,&uart0_send_str);
}
将封装函数uart0_send_data();放入定时器中断处理函数中；
在需要发送数据的地方，设置串口帧发送结构体变量：
uart0_send_str.send_sum_len=data_len; //data_len为要发送的数据长度
uart0_send_str.send_cur_len=0; //固定为0
uart0_send_str.send_data=uart0_send_buf; //绑定发送缓冲区
uart0_send_str.send_flag=FARME_SEND_FALG; //设置发送标志
5. 总结
本文主要讨论了一种高效的串口数据收发方法，并给出了具体的代码实现。在当前处理器任务不断增加的情况下，提供了一个占用资源少，可提高系统整体性能的新的思路。
以上就是良许教程网为各位朋友分享的Linu系统相关内容。想要了解更多Linux相关知识记得关注公众号“良许Linux”，或扫描下方二维码进行关注，更多干货等着你 ！
微信扫一扫打赏
支付宝扫一扫打赏
