本文介绍如何使用带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、概述
在此之前,先来列举一下传统串口数据收发的不足之处:
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。
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)。
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)。
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: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
typedefstruct { uint8_t*dst_buf;//指向接收缓存 uint8_tsfd;//帧首标志,为0xFF或者0xEE uint8_tsfd_flag;//找到帧首,一般是3~5个FF或EE uint8_tsfd_count;//帧首的个数,一般3~5个 uint8_treceived_len;//已经接收的字节数 uint8_tfind_fram_flag;//找到完整帧后,置1 uint8_tframe_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 *@paramp_fine_frame:指向打包帧数据结构体变量 *@paramdst_buf:指向帧缓冲区 *@paramsfd:帧首标志,一般为0xFF或者0xEE */ voidinit_find_frame_struct(find_frame_struct*p_find_frame,uint8_t*dst_buf,uint8_tsfd) { 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 *@paramp_find_frame:指向打包帧数据结构体变量 *@paramsrc_buf:指向串口接收的原始数据 *@paramdata_len:src_buf本次串口接收到的原始数据个数 *@paramsum_len:帧缓存的最大长度 *@return本次处理的数据个数 */ uint32_tfind_one_frame(find_frame_struct*p_find_frame,constuint8_t*src_buf,uint32_tdata_len,uint32_tsum_len) { uint32_tsrc_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; returnsrc_len; } } } p_find_frame->find_fram_flag=0; returnsrc_len; }
使用例子:定义数据结构体变量:
find_frame_structslave_find_frame_srt;
定义接收数据缓冲区:
#defineSLAVE_REC_DATA_LEN128 uint8_tslave_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*/ typedefstruct { uint16_tsend_sum_len;//要发送的帧数据长度 uint8_tsend_cur_len;//当前已经发送的数据长度 uint8_tsend_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 *@paramUARTx:指向硬件串口寄存器基地址 *@paramp:指向串口帧发送结构体变量 */ #defineFARME_SEND_FALG0x5A #defineSEND_DATA_NUM12 staticvoiduart_send_com(LPC_UART_TypeDef*UARTx,uart_send_struct*p) { uint32_ti; uint32_ttmp32; if(UARTx->LSR (0x01<<6)) //发送为空 { if(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_structuart0_send_str;
定义发送缓冲区:
uint8_tuart0_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:
voiduart0_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
来源:网络
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