使用硬件FIFO來優(yōu)化串口的數(shù)據(jù)收發(fā) - 全文

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)的響應速度。

1. 簡介

串口由于使用簡單，價格低廉，配合RS485芯片可以實現(xiàn)長距離、抗干擾能力強的局域網(wǎng)絡而被廣泛使用。隨著產(chǎn)品功能的增多，需要處理的任務也越來越復雜，系統(tǒng)任務也越來越需要及時響應。絕大多數(shù)的現(xiàn)代單片機（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間遠遠跟不上CPU的處理時間，等待串口發(fā)送完當前字節(jié)再發(fā)送下一字節(jié)會造成CPU資源浪費，不利于系統(tǒng)整體響應（在1200bps下，發(fā)送一字節(jié)大約需要10ms，如果一次發(fā)送幾十個字節(jié)數(shù)據(jù)，CPU會長時間處于等待狀態(tài)）。

應答數(shù)據(jù)采用中斷發(fā)送。增加一個中斷源，增加系統(tǒng)的中斷次數(shù)，這會影響系統(tǒng)整體穩(wěn)定性（從可靠性角度考慮，中斷事件應越少越好）。
針對上述的不足之處，將結合一個常用自定義通訊協(xié)議，提供一個完整的解決方案。

2. 串口FIFO

串口FIFO可以理解為串口專用的緩存，該緩存采用先進先出方式。數(shù)據(jù)接收FIFO和數(shù)據(jù)發(fā)送FIFO通常是獨立的兩個硬件。串口接收的數(shù)據(jù)，先放入接收FIFO中，當FIFO中的數(shù)據(jù)達到觸發(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)雖然沒有達到設定值但是一段時間（通常為3.5個字符傳輸時間）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，硬件會自動發(fā)送FIFO中的數(shù)據(jù)。寫入發(fā)送FIFO的字節(jié)個數(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，CPU類型不同，特性也不盡相同，使用前應參考相應的數(shù)據(jù)手冊。

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)級別可以設置為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的默認值。這樣，當接收到大量數(shù)據(jù)時，每8個字節(jié)或者14個字節(jié)才會產(chǎn)生一次中斷（最后一次接收除外），相比接收一個字節(jié)即產(chǎn)生一個中斷，這種方法串口接收中斷次數(shù)大大減少。

將接收FIFO設置為8或者14字節(jié)也十分簡單，還是以lpc1778為例，只需要設置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。下面介紹一個自定義的協(xié)議幀格式，并給出一個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0xFF或者0xEE

地址號：要進行通訊的設備的地址編號，1字節(jié)

命令號：對應不同的功能，1字節(jié)

長度：數(shù)據(jù)區(qū)域的字節(jié)個數(shù)，1字節(jié)

數(shù)據(jù)：與具體的命令號有關，數(shù)據(jù)區(qū)長度可以為0，整個幀的長度不應超過256字節(jié)

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

下面介紹如何將接收到的數(shù)據(jù)按照圖3-1所示的格式打包成一幀。

3.1 定義數(shù)據(jù)結構

1. typedef struct {
2. uint8_t * dst_buf; //指向接收緩存
3. uint8_t sfd; //幀首標志,為0xFF或者0xEE
4. uint8_t sfd_flag; //找到幀首,一般是3~5個FF或EE
5. uint8_t sfd_count; //幀首的個數(shù),一般3~5個
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)總長度，這個區(qū)域是可選的
9. }find_frame_struct;

3.2 初始化數(shù)據(jù)結構，一般放在串口初始化中
1. /**
2. * @brief 初始化尋找?guī)臄?shù)據(jù)結構
3. * @param p_fine_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結構體變量
4. * @param dst_buf:指向幀緩沖區(qū)
5. * @param sfd:幀首標志,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. }

3.3 數(shù)據(jù)打包程序
1. /**
2. * @brief 尋找一幀數(shù)據(jù) 返回處理的數(shù)據(jù)個數(shù)
3. * @param p_find_frame:指向打包幀數(shù)據(jù)結構體變量
4. * @param src_buf:指向串口接收的原始數(shù)據(jù)
5. * @param data_len:src_buf本次串口接收到的原始數(shù)據(jù)個數(shù)
6. * @param sum_len:幀緩存的最大長度
7. * @return 本次處理的數(shù)據(jù)個數(shù)
8. */
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. {
11. uint32_t src_len=0;
12.
13. while(data_len--)
14. {
15. if(p_find_frame ->sfd_flag==0)
16. { //沒有找到起始幀首
17. if(src_buf[src_len++]==p_find_frame ->sfd)
18. {
19. p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame ->received_len++]=p_find_frame ->sfd;
20. if(++p_find_frame ->sfd_count==5)
21. {
22. p_find_frame ->sfd_flag=1;
23. p_find_frame ->sfd_count=0;
24. p_find_frame ->frame_len=10;
25. }
26. }
27. else
28. {
29. p_find_frame ->sfd_count=0;
30. p_find_frame ->received_len=0;
31. }
32. }
33. else
34. { //是否是"長度"字節(jié)? Y->獲取這幀的數(shù)據(jù)長度
35. if(7==p_find_frame ->received_len)
36. {
37. p_find_frame->frame_len=src_buf[src_len]+5+1+1+1+2; //幀首+地址號+命令號+數(shù)據(jù)長度+校驗
38.
39. if(p_find_frame->frame_len>=sum_len)
40. { //這里處理方法根據(jù)具體應用不一定相同
41. MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,("數(shù)據(jù)長度超出緩存!\n"));
42. p_find_frame->frame_len= sum_len;
43. }
44. }
45.
46. p_find_frame ->dst_buf[p_find_frame->received_len++]=src_buf[src_len++];
47.
48. if(p_find_frame ->received_len==p_find_frame ->frame_len)
49. {
50. p_find_frame ->received_len=0; //一幀完成
51. p_find_frame ->sfd_flag=0;
52. p_find_frame ->find_fram_flag=1;
53.
54. return src_len;
55. }
56. }
57. }
58. p_find_frame ->find_fram_flag=0;
59. return src_len;
60. }

使用例子：
定義數(shù)據(jù)結構體變量：
find_frame_structslave_find_frame_srt;

定義接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)：
#define SLAVE_REC_DATA_LEN 128
uint8_t slave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN];

在串口初始化中調用結構體變量初始化函數(shù)：
init_find_frame_struct(&slave_find_frame_srt,slave_rec_buf,0xEE);

在串口接收中斷中調用數(shù)據(jù)打包函數(shù)：
find_one_frame(&slave_find_frame_srt,tmp_rec_buf,data_len,SLAVE_REC_DATA_LEN);

其中，rec_buf是串口接收臨時緩沖區(qū)，data_len是本次接收的數(shù)據(jù)長度。

4. 數(shù)據(jù)發(fā)送

前文提到，傳統(tǒng)的等待發(fā)送方式會浪費CPU資源，而中斷發(fā)送方式雖然不會造成CPU資源浪費，但又增加了一個中斷源。在我們的使用中發(fā)現(xiàn)，定時器中斷是幾乎每個應用都會使用的，我們可以利用定時器中斷以及硬件FIFO來進行數(shù)據(jù)發(fā)送，通過合理設計后，這樣的發(fā)送方法即不會造成CPU資源浪費，也不會多增加中斷源和中斷事件。

需要提前說明的是，這個方法并不是對所有應用都合適，對于那些沒有開定時器中斷的應用本方法當然是不支持的，另外如果定時器中斷間隔較長而通訊波特率又特別高的話，本方法也不太適用。公司目前使用的通訊波特率一般比較?。?200bps、2400bps），在這些波特率下，定時器間隔為10ms以下（含10ms）就能滿足。如果定時器間隔為1ms以下（含1ms），是可以使用115200bps的。

本方法主要思想是：定時器中斷觸發(fā)后，判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，如果有數(shù)據(jù)要發(fā)送并且滿足發(fā)送條件，則將數(shù)據(jù)放入發(fā)送FIFO中，對于lpc1778來說，一次最多可以放16字節(jié)數(shù)據(jù)。之后硬件會自動啟動發(fā)送，無需CPU參與。

下面介紹如何使用定時器發(fā)送數(shù)據(jù)，硬件載體為RS485。因為發(fā)送需要操作串口寄存器以及RS485方向控制引腳，需跟硬件密切相關，以下代碼使用的硬件為lpc1778，但思想是通用的。

4.1 定義數(shù)據(jù)結構
1. /*串口幀發(fā)送結構體*/
2. typedef struct {
3. uint16_t send_sum_len; //要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)長度
4. uint8_t send_cur_len; //當前已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)長度
5. uint8_t send_flag; //是否發(fā)送標志
6. uint8_t * send_data; //指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
7. }uart_send_struct;

4.2 定時處理函數(shù)
1. /**
2. * @brief 定時發(fā)送函數(shù),在定時器中斷中調用,不使用發(fā)送中斷的情況下減少發(fā)送等待
3. * @param UARTx:指向硬件串口寄存器基地址
4. * @param p:指向串口幀發(fā)送結構體變量
5. */
6. #define FARME_SEND_FALG 0x5A
7. #define SEND_DATA_NUM 12
8. static void uart_send_com(LPC_UART_TypeDef *UARTx,uart_send_struct *p)
9. {
10. uint32_t i;
11. uint32_t tmp32;
12.
13. if(UARTx->LSR &(0x01<<6)) //發(fā)送為空
14. {
15. if(p->send_flag==FARME_SEND_FALG)
16. {
17. RS485ClrDE; // 置485為發(fā)送狀態(tài)
18.
19. tmp32=p->send_sum_len-p->send_cur_len;
20. if(tmp32>SEND_DATA_NUM) //向發(fā)送FIFO填充字節(jié)數(shù)據(jù)
21. {
22. for(i=0;iTHR=p->send_data[p->send_cur_len++];
25. }
26. }
27. else
28. {
29. for(i=0;iTHR=p->send_data[p->send_cur_len++];
32. }
33. p->send_flag=0;
34. }
35. }
36. else
37. {
38. RS485SetDE;
39. }
40. }
41. }