串口传输“阻塞”怎么办？一招教你解决

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。
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
typedef struct {
uint8_t * dst_buf; // 指向接收缓存
uint8_t sfd; // 帧首标志,为 0xFF 或者 0xEE
uint8_t sfd_flag; // 找到帧首,一般是 3~5 个 FF 或 EE
uint8_t sfd_count; // 帧首的个数,一般 3~5 个
uint8_t received_len; // 已经接收的字节数
uint8_t find_fram_flag; // 找到完整帧后,置 1
uint8_t frame_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
* @param p_fine_frame:指向打包帧数据结构体变量
* @param dst_buf:指向帧缓冲区
* @param sfd:帧首标志,一般为 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 数据打包程序
/**
* @brief 寻找一帧数据 返回处理的数据个数
* @param p_find_frame:指向打包帧数据结构体变量
* @param src_buf:指向串口接收的原始数据
* @param data_len:src_buf 本次串口接收到的原始数据个数
* @param sum_len:帧缓存的最大长度
* @Return 本次处理的数据个数
*/
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)
{ // 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;

return src_len;
}
}
}
p_find_frame ->find_fram_flag=0;
return src_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：
#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
/*串口帧发送结构体*/
typedef struct {
uint16_t send_sum_len; // 要发送的帧数据长度
uint8_t send_cur_len; // 当前已经发送的数据长度
uint8_t send_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
* @param UARTx:指向硬件串口寄存器基地址
* @param p:指向串口帧发送结构体变量
*/
#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)) // 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;i {
UARTx->THR=p->send_data[p->send_cur_len++];
}
}
else
{
for(i=0;i {
UARTx->THR=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_struct uart0_send_str;
定义发送缓冲区：
uint8_t uart0_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：
void uart0_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

5. 总结
本文主要讨论了一种高效的串口数据收发方法，并给出了具体的代码实现。在当前处理器任务不断增加的情况下，提供了一个占用资源少，可提高系统整体性能的新的思路。