使用硬件FIFO來優(yōu)化串口的數(shù)據(jù)收發(fā)

摘要：本文在探討傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收發(fā)不足之后，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. 簡(jiǎn)介

串口由于使用簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，配合RS485芯片可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、抗干擾能力強(qiáng)的局域網(wǎng)絡(luò)而被廣泛使用。隨著產(chǎn)品功能的增多，需要處理的任務(wù)也越來越復(fù)雜，系統(tǒng)任務(wù)也越來越需要及時(shí)響應(yīng)。絕大多數(shù)的現(xiàn)代單片機(jī)（ARM7、Cortex-M3）串口都帶有一定數(shù)量的硬件FIFO，本文將介紹如何使用硬件FIFO來減少接收中斷次數(shù)，提高發(fā)送效率。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(gè)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(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上CPU的處理時(shí)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(huì)造成CPU資源浪費(fèi)，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(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，CPU會(huì)長(zhǎng)時(shí)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(gè)中斷源，增加系統(tǒng)的中斷次數(shù)，這會(huì)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(duì)上述的不足之處，將結(jié)合一個(gè)常用自定義通訊協(xié)議，提供一個(gè)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(jìn)先出方式。數(shù)據(jù)接收FIFO和數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO通常是獨(dú)立的兩個(gè)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(dá)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(dá)到設(shè)定值但是一段時(shí)間（通常為3.5個(gè)字符傳輸時(shí)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(huì)自動(dòng)發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)。寫入發(fā)送FIFO的字節(jié)個(gè)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(cè)。

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(jí)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(rèn)值。這樣，當(dāng)接收到大量數(shù)據(jù)時(shí)，每8個(gè)字節(jié)或者14個(gè)字節(jié)才會(huì)產(chǎn)生一次中斷（最后一次接收除外），相比接收一個(gè)字節(jié)即產(chǎn)生一個(gè)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(jiǎn)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(gè)自定義的協(xié)議幀格式，并給出一個(gè)通用打包成幀的方法。

自定義協(xié)議格式如圖3-1所示。

圖3-1 公司常用通訊協(xié)議格式

幀首：通常是3~5個(gè)0xFF或者0xEE

地址號(hào)：要進(jìn)行通訊的設(shè)備的地址編號(hào)，1字節(jié)

命令號(hào)：對(duì)應(yīng)不同的功能，1字節(jié)

長(zhǎng)度：數(shù)據(jù)區(qū)域的字節(jié)個(gè)數(shù)，1字節(jié)

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

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

下面介紹如何將接收到的數(shù)據(jù)按照?qǐng)D3-1所示的格式打包成一幀。

3.1 定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1. typedef struct {
2. uint8_t * dst_buf; //指向接收緩存
3. uint8_t sfd; //幀首標(biāo)志,為0xFF或者0xEE
4. uint8_t sfd_flag; //找到幀首,一般是3~5個(gè)FF或EE
5. uint8_t sfd_count; //幀首的個(gè)數(shù),一般3~5個(gè)
6. uint8_t received_len; //已經(jīng)接收的字節(jié)數(shù)
7. uint8_t find_fram_flag; //找到完整幀后,置1
8. uint8_t frame_len; //本幀數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度，這個(gè)區(qū)域是可選的
9. }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
1. /**
2. * @brief 初始化尋找?guī)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
3. * @param p_fine_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量
4. * @param dst_buf:指向幀緩沖區(qū)
5. * @param sfd:幀首標(biāo)志,一般為0xFF或者0xEE
6. */
7. void init_find_frame_struct(find_frame_struct * p_find_frame,uint8_t *dst_buf,uint8_t sfd)
8. {
9. p_find_frame->dst_buf=dst_buf;
10. p_find_frame->sfd=sfd;
11. p_find_frame->find_fram_flag=0;
12. p_find_frame->frame_len=10;
13. p_find_frame->received_len=0;
14. p_find_frame->sfd_count=0;
15. p_find_frame->sfd_flag=0;
16. }