使用硬件FIFO来优化串口的数据收发 - 全文

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：

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。

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

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

3.2 初始化数据结构，一般放在串口初始化中
1. /**
2. * @brief 初始化寻找帧的数据结构
3. * @param p_fine_frame:指向打包帧数据结构体变量
4. * @param dst_buf:指向帧缓冲区
5. * @param sfd:帧首标志,一般为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 数据打包程序
1. /**
2. * @brief 寻找一帧数据 返回处理的数据个数
3. * @param p_find_frame:指向打包帧数据结构体变量
4. * @param src_buf:指向串口接收的原始数据
5. * @param data_len:src_buf本次串口接收到的原始数据个数
6. * @param sum_len:帧缓存的最大长度
7. * @return 本次处理的数据个数
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. { //没有找到起始帧首
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"长度"字节? Y->获取这帧的数据长度
35. if(7==p_find_frame ->received_len)
36. {
37. p_find_frame->frame_len=src_buf[src_len]+5+1+1+1+2; //帧首+地址号+命令号+数据长度+校验
38.
39. if(p_find_frame->frame_len>=sum_len)
40. { //这里处理方法根据具体应用不一定相同
41. MY_DEBUGF(SLAVE_DEBUG,("数据长度超出缓存!\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; //一帧完成
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：
定义数据结构体变量：
find_frame_structslave_find_frame_srt;

定义接收数据缓冲区：
#define SLAVE_REC_DATA_LEN 128
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：
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
1. /*串口帧发送结构体*/
2. typedef struct {
3. uint16_t send_sum_len; //要发送的帧数据长度
4. uint8_t send_cur_len; //当前已经发送的数据长度
5. uint8_t send_flag; //是否发送标志
6. uint8_t * send_data; //指向要发送的数据缓冲区
7. }uart_send_struct;

4.2 定时处理函数
1. /**
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. * @param UARTx:指向硬件串口寄存器基地址
4. * @param p:指向串口帧发送结构体变量
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)) //发送为空
14. {
15. if(p->send_flag==FARME_SEND_FALG)
16. {
17. RS485ClrDE; // 置485为发送状态
18.
19. tmp32=p->send_sum_len-p->send_cur_len;
20. if(tmp32>SEND_DATA_NUM) //向发送FIFO填充字节数据
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. }