一种串口高效收发思路及方案

 摘要：本文在探讨传统数据收发不足之后，介绍如何使用带FIFO的串口来减少接收中断次数，通过一种自定义通讯协议格式，给出帧打包方法；之后介绍一种特殊的串口数据发送方法，可在避免使用串口发送中断的情况下，提高系统的响应速度。

1.  简介

       串口由于使用简单，价格低廉，配合RS485芯片可以实现长距离、抗干扰能力强的局域网络而被广泛使用。随着产品功能的增多，需要处理的任务也越来越复杂，系统任务也越来越需要及时响应。绝大多数的现代单片机（ARM7、Cortex-M3）串口都带有一定数量的硬件FIFO，本文将介绍如何使用硬件FIFO来减少接收中断次数，提高发送效率。在此之前，先来列举一下传统串口数据收发的不足之处：

1. 每接收一个字节数据，产生一次接收中断。不能有效的利用串口硬件FIFO，减少中断次数。
2. 应答数据采用等待发送的方法。由于串行数据传输的时间远远跟不上CPU的处理时间，等待串口发送完当前字节再发送下一字节会造成CPU资源浪费，不利于系统整体响应（在1200bps下，发送一字节大约需要10ms，如果一次发送几十个字节数据，CPU会长时间处于等待状态）。
3.  应答数据采用中断发送。增加一个中断源，增加系统的中断次数，这会影响系统整体稳定性（从可靠性角度考虑，中断事件应越少越好）。
4.  针对上述的不足之处，将结合一个常用自定义通讯协议，提供一个完整的解决方案。

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

地址号

命令号

长 度

数                                 据

校 验

图3-1 公司常用通讯协议格式

•   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

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1. 1.  typedef struct {    
2. 2.      uint8_t * dst_buf;                  //指向接收缓存    
3. 3.      uint8_t sfd;                        //帧首标志,为0xFF或者0xEE    
4. 4.      uint8_t sfd_flag;                   //找到帧首,一般是3~5个FF或EE    
5. 5.      uint8_t sfd_count;                  //帧首的个数,一般3~5个    
6. 6.      uint8_t received_len;               //已经接收的字节数    
7. 7.      uint8_t find_fram_flag;             //找到完整帧后,置1    
8. 8.      uint8_t frame_len;                  //本帧数据总长度，这个区域是可选的    
9. 9.  }find_frame_struct;  

3.2 初始化数据结构，一般放在串口初始化中

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1. 1.  /**   
2. 2.  * @brief    初始化寻找帧的数据结构   
3. 3.  * @param    p_fine_frame:指向打包帧数据结构体变量   
4. 4.  * @param    dst_buf:指向帧缓冲区   
5. 5.  * @param    sfd:帧首标志,一般为0xFF或者0xEE   
6. 6.  */    
7. 7.  void init_find_frame_struct(find_frame_struct * p_find_frame,uint8_t *dst_buf,uint8_t sfd)    
8. 8.  {    
9. 9.      p_find_frame->dst_buf=dst_buf;    
10. 10.     p_find_frame->sfd=sfd;    
11. 11.     p_find_frame->find_fram_flag=0;    
12. 12.     p_find_frame->frame_len=10;         
13. 13.     p_find_frame->received_len=0;    
14. 14.     p_find_frame->sfd_count=0;    
15. 15.     p_find_frame->sfd_flag=0;    
16. 16. }   

3.3 数据打包程序

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1. 1.  /**   
2. 2.  * @brief    寻找一帧数据  返回处理的数据个数   
3. 3.  * @param    p_find_frame:指向打包帧数据结构体变量   
4. 4.  * @param    src_buf:指向串口接收的原始数据   
5. 5.  * @param    data_len:src_buf本次串口接收到的原始数据个数   
6. 6.  * @param    sum_len:帧缓存的最大长度   
7. 7.  * @return   本次处理的数据个数   
8. 8.  */    
9. 9.  uint32_t find_one_frame(find_frame_struct * p_find_frame,const uint8_t * src_buf,uint32_t data_len,uint32_t sum_len)    
10. 10. {    
11. 11.     uint32_t src_len=0;    
12. 12.         
13. 13.     while(data_len--)    
14. 14.     {    
15. 15.         if(p_find_frame ->sfd_flag==0)                          
16. 16.         {   //没有找到起始帧首    
17. 17.             if(src_buf[src_len++]==p_find_frame ->sfd)    
18. 18.             {    
19. 19.                 p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame ->received_len++]=p_find_frame ->sfd;    
20. 20.                 if(++p_find_frame ->sfd_count==5)            
21. 21.                 {    
22. 22.                     p_find_frame ->sfd_flag=1;    
23. 23.                     p_find_frame ->sfd_count=0;    
24. 24.                     p_find_frame ->frame_len=10;    
25. 25.                 }    
26. 26.             }    
27. 27.             else    
28. 28.             {    
29. 29.                 p_find_frame ->sfd_count=0;     
30. 30.                 p_find_frame ->received_len=0;     
31. 31.             }    
32. 32.         }    
33. 33.         else     
34. 34.         {   //是否是"长度"字节? Y->获取这帧的数据长度    
35. 35.             if(7==p_find_frame ->received_len)                  
36. 36.             {    
37. 37.                 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    
38. 38.                     
39. 39.                 if(p_find_frame->frame_len>=sum_len)    
40. 40.                 {   //这里处理方法根据具体应用不一定相同    
41. 41.                     MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,("数据长度超出缓存!\n"));    
42. 42.                     p_find_frame->frame_len= sum_len;         
43. 43.                 }    
44. 44.             }    
45. 45.                 
46. 46.             p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame->received_len++]=src_buf[src_len++];    
47. 47.                 
48. 48.             if(p_find_frame ->received_len==p_find_frame ->frame_len)                    
49. 49.             {    
50. 50.                 p_find_frame ->received_len=0;              //一帧完成      
51. 51.                 p_find_frame ->sfd_flag=0;    
52. 52.                 p_find_frame ->find_fram_flag=1;     
53. 53.                        
54. 54.                 return src_len;    
55. 55.             }    
56. 56.         }    
57. 57.     }    
58. 58.     p_find_frame ->find_fram_flag=0;    
59. 59.     return src_len;    
60. 60. }   

使用例子：

定义数据结构体变量：

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1. find_frame_structslave_find_frame_srt;  

定义接收数据缓冲区：

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1. #define SLAVE_REC_DATA_LEN  128  
2. 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：

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1. 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：

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1. 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

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1. 1.  /*串口帧发送结构体*/    
2. 2.  typedef struct {    
3. 3.      uint16_t send_sum_len;          //要发送的帧数据长度    
4. 4.      uint8_t  send_cur_len;          //当前已经发送的数据长度    
5. 5.      uint8_t  send_flag;             //是否发送标志    
6. 6.      uint8_t * send_data;            //指向要发送的数据缓冲区    
7. 7.  }uart_send_struct;    

4.2 定时处理函数

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1. 1.  /**   
2. 2.  * @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   
3. 3.  * @param    UARTx:指向硬件串口寄存器基地址   
4. 4.  * @param    p:指向串口帧发送结构体变量   
5. 5.  */    
6. 6.  #define FARME_SEND_FALG 0x5A            
7. 7.  #define SEND_DATA_NUM   12    
8. 8.  static void uart_send_com(LPC_UART_TypeDef *UARTx,uart_send_struct *p)    
9. 9.  {    
10. 10.     uint32_t i;    
11. 11.     uint32_t tmp32;    
12. 12.         
13. 13.     if(UARTx->LSR &(0x01<<6))                      //发送为空    
14. 14.     {           
15. 15.         if(p->send_flag==FARME_SEND_FALG)    
16. 16.         {                            
17. 17.             RS485ClrDE;                             // 置485为发送状态    
18. 18.                 
19. 19.             tmp32=p->send_sum_len-p->send_cur_len;    
20. 20.             if(tmp32>SEND_DATA_NUM)                 //向发送FIFO填充字节数据    
21. 21.             {    
22. 22.                 for(i=0;i<SEND_DATA_NUM;i++)    
23. 23.                 {    
24. 24.                     UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];    
25. 25.                 }    
26. 26.             }    
27. 27.             else    
28. 28.             {    
29. 29.                 for(i=0;i<tmp32;i++)    
30. 30.                 {    
31. 31.                     UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];    
32. 32.                 }    
33. 33.                 p->send_flag=0;                        
34. 34.             }    
35. 35.         }    
36. 36.         else    
37. 37.         {    
38. 38.             RS485SetDE;    
39. 39.         }    
40. 40.     }    
41. 41. }    

 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：

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1. uart_send_struct uart0_send_str;  

定义发送缓冲区：

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1. 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：

[cpp]  view plain  copy

1. void uart0_send_data(void)  
2. {  
3.     uart_send_com(LPC_UART0,&uart0_send_str);  
4. }  

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：

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1. uart0_send_str.send_sum_len=data_len;      //data_len为要发送的数据长度  
2. uart0_send_str.send_cur_len=0;           //固定为0  
3. uart0_send_str.send_data=uart0_send_buf;    //绑定发送缓冲区  
4. uart0_send_str.send_flag=FARME_SEND_FALG;   //设置发送标志