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(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)也越來越需要及時響應(yīng)。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(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間遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上 CPU 的處理時間，等待串口發(fā)送完當(dāng)前字節(jié)再發(fā)送下一字節(jié)會造成 CPU 資源浪費，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)送幾十個字節(jié)數(shù)據(jù)，CPU 會長時間處于等待狀態(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(yīng)越少越好）。針對上述的不足之處，將結(jié)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(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(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。

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(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，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(shè)置為 8 或者 14 字節(jié)也十分簡單，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。

幀首：通常是 3~5 個 0xFF 或者 0xEE

地址號：要進行通訊的設(shè)備的地址編號，1 字節(jié)

命令號：對應(yīng)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(guān)，數(shù)據(jù)區(qū)長度可以為 0，整個幀的長度不應(yīng)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(jié)構(gòu)

typedef struct {

uint8_t * dst_buf; // 指向接收緩存

uint8_t sfd; // 幀首標(biāo)志，為 0xFF 或者 0xEE

uint8_t sfd_flag; // 找到幀首，一般是 3~5 個 FF 或 EE

uint8_t sfd_count; // 幀首的個數(shù)，一般 3~5 個

uint8_t received_len; // 已經(jīng)接收的字節(jié)數(shù)

uint8_t find_fram_flag; // 找到完整幀后，置 1

uint8_t frame_len; // 本幀數(shù)據(jù)總長度，這個區(qū)域是可選的

}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

/**

* @brief 初始化尋找?guī)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

* @param p_fine_frame：指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量

* @param dst_buf：指向幀緩沖區(qū)

* @param sfd：幀首標(biāo)志，一般為 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 數(shù)據(jù)打包程序

/**

* @brief 尋找一幀數(shù)據(jù) 返回處理的數(shù)據(jù)個數(shù)

* @param p_find_frame：指向打包幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量

* @param src_buf：指向串口接收的原始數(shù)據(jù)

* @param data_len:src_buf 本次串口接收到的原始數(shù)據(jù)個數(shù)

* @param sum_len：幀緩存的最大長度

* @return 本次處理的數(shù)據(jù)個數(shù)

*/

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）

{ // 沒有找到起始幀首

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“長度”字節(jié)？ Y-》獲取這幀的數(shù)據(jù)長度

if（7==p_find_frame -》received_len）

{

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

if（p_find_frame-》frame_len》=sum_len）

{ // 這里處理方法根據(jù)具體應(yīng)用不一定相同

MY_DEBUGF（SLAVE_DEBUG，（“數(shù)據(jù)長度超出緩存！ ”））;

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; // 一幀完成

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：

定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(diào)用結(jié)構(gòu)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(diào)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(yīng)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(shè)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(yīng)用都合適，對于那些沒有開定時器中斷的應(yīng)用本方法當(dāng)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小（1200bps、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(guān)，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(jié)構(gòu)

/*串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體*/

typedef struct {

uint16_t send_sum_len; // 要發(fā)送的幀數(shù)據(jù)長度

uint8_t send_cur_len; // 當(dāng)前已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)長度

uint8_t send_flag; // 是否發(fā)送標(biāo)志

uint8_t * send_data; // 指向要發(fā)送的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

}uart_send_struct;

4.2 定時處理函數(shù)

/**

* @brief 定時發(fā)送函數(shù)，在定時器中斷中調(diào)用，不使用發(fā)送中斷的情況下減少發(fā)送等待

* @param UARTx：指向硬件串口寄存器基地址

* @param p：指向串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體變量

*/

#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 &（0x01《《6）） // 發(fā)送為空

{

if（p-》send_flag==FARME_SEND_FALG）

{

RS485ClrDE; // 置 485 為發(fā)送狀態(tài)

tmp32=p-》send_sum_len-p-》send_cur_len;

if（tmp32》SEND_DATA_NUM） // 向發(fā)送 FIFO 填充字節(jié)數(shù)據(jù)

{

for（i=0;i《SEND_DATA_NUM;i++）

{

UARTx-》THR=p-》send_data［p-》send_cur_len++］;

}

}

else

{

for（i=0;i《tmp32;i++）

{

UARTx-》THR=p-》send_data［p-》send_cur_len++］;

}

p-》send_flag=0;

}

}

else

{

RS485SetDE;

}

}

}

其中，RS485ClrDE 為宏定義，設(shè)置 RS485 為發(fā)送模式；RS485SetDE 也為宏定義，設(shè)置 RS485 為接收模式。

使用例子：

定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體變量：

uart_send_struct uart0_send_str;

定義發(fā)送緩沖區(qū)：

uint8_t uart0_send_buf［UART0_SEND_LEN］;

根據(jù)使用的硬件串口，對定時處理函數(shù)做二次封裝：

void uart0_send_data（void）

{

uart_send_com（LPC_UART0，&uart0_send_str）;

}

將封裝函數(shù) uart0_send_data（）;放入定時器中斷處理函數(shù)中；

在需要發(fā)送數(shù)據(jù)的地方，設(shè)置串口幀發(fā)送結(jié)構(gòu)體變量：

uart0_send_str.send_sum_len=data_len; //data_len 為要發(fā)送的數(shù)據(jù)長度

uart0_send_str.send_cur_len=0; // 固定為 0

uart0_send_str.send_data=uart0_send_buf; // 綁定發(fā)送緩沖區(qū)

uart0_send_str.send_flag=FARME_SEND_FALG; // 設(shè)置發(fā)送標(biāo)志

5. 總結(jié)

本文主要討論了一種高效的串口數(shù)據(jù)收發(fā)方法，并給出了具體的代碼實現(xiàn)。在當(dāng)前處理器任務(wù)不斷增加的情況下，提供了一個占用資源少，可提高系統(tǒng)整體性能的新的思路。

責(zé)任編輯：haq