如何使用帶FIFO的串口來減少接收中斷次數

本文在探討傳統數據收發不足之后，介紹如何使用帶 FIFO 的串口來減少接收中斷次數，通過一種自定義通訊協議格式，給出幀打包方法；之后介紹一種特殊的串口數據發送方法，可在避免使用串口發送中斷的情況下，提高系統的響應速度。

1. 簡介

串口由于使用簡單，價格低廉，配合 RS485 芯片可以實現長距離、抗干擾能力強的局域網絡而被廣泛使用。隨著產品功能的增多，需要處理的任務也越來越復雜，系統任務也越來越需要及時響應。絕大多數的現代單片機（ARM7、Cortex-M3）串口都帶有一定數量的硬件 FIFO，本文將介紹如何使用硬件 FIFO 來減少接收中斷次數，提高發送效率。在此之前，先來列舉一下傳統串口數據收發的不足之處：

每接收一個字節數據，產生一次接收中斷。不能有效的利用串口硬件 FIFO，減少中斷次數。應答數據采用等待發送的方法。由于串行數據傳輸的時間遠遠跟不上 CPU 的處理時間，等待串口發送完當前字節再發送下一字節會造成 CPU 資源浪費，不利于系統整體響應（在 1200bps 下，發送一字節大約需要 10ms，如果一次發送幾十個字節數據，CPU 會長時間處于等待狀態）。應答數據采用中斷發送。增加一個中斷源，增加系統的中斷次數，這會影響系統整體穩定性（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。數據接收 FIFO 和數據發送 FIFO 通常是獨立的兩個硬件。串口接收的數據，先放入接收 FIFO 中，當 FIFO 中的數據達到觸發值（通常觸發值為 1、2、4、8、14 字節）或者 FIFO 中的數據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）沒有再接收到數據，則通知 CPU 產生接收中斷；發送的數據要先寫入發送 FIFO，只要發送 FIFO 未空，硬件會自動發送 FIFO 中的數據。寫入發送 FIFO 的字節個數受 FIFO 最大深度影響，通常一次寫入最多允許 16 字節。上述列舉的數據跟具體的硬件有關，CPU 類型不同，特性也不盡相同，使用前應參考相應的數據手冊。

3. 數據接收與打包

FIFO 可以緩存串口接收到的數據，因此我們可以利用 FIFO 來減少中斷次數。以 NXP 的 lpc1778 芯片為例，接收 FIFO 的觸發級別可以設置為 1、2、4、8、14 字節，推薦使用 8 字節或者 14 字節，這也是 PC 串口接收 FIFO 的默認值。這樣，當接收到大量數據時，每 8 個字節或者 14 個字節才會產生一次中斷（最后一次接收除外），相比接收一個字節即產生一個中斷，這種方法串口接收中斷次數大大減少。

將接收 FIFO 設置為 8 或者 14 字節也十分簡單，還是以 lpc1778 為例，只需要設置 UART FIFO 控制寄存器 UnFCR 即可。

接收的數據要符合通訊協議規定，數據與協議是密不可分的。通常我們需要將接收到的數據根據協議打包成一幀，然后交由上層處理。下面介紹一個自定義的協議幀格式，并給出一個通用打包成幀的方法。

自定義協議格式如圖 3-1 所示。

幀首：通常是 3~5 個 0xFF 或者 0xEE

地址號：要進行通訊的設備的地址編號，1 字節

命令號：對應不同的功能，1 字節

長度：數據區域的字節個數，1 字節

數據：與具體的命令號有關，數據區長度可以為 0，整個幀的長度不應超過 256 字節

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

下面介紹如何將接收到的數據按照圖 3-1 所示的格式打包成一幀。

3.1 定義數據結構

typedef struct {

uint8_t * dst_buf; // 指向接收緩存

uint8_t sfd; // 幀首標志，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，一般 3~5 個

uint8_t received_len; // 已經接收的字節數

uint8_t find_fram_flag; // 找到完整幀后，置 1

uint8_t frame_len; // 本幀數據總長度，這個區域是可選的

}find_frame_struct;

3.2 初始化數據結構，一般放在串口初始化中

/**

* @brief 初始化尋找幀的數據結構

* @param p_fine_frame：指向打包幀數據結構體變量

* @param dst_buf：指向幀緩沖區

* @param sfd：幀首標志，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 數據打包程序

/**

* @brief 尋找一幀數據 返回處理的數據個數

* @param p_find_frame：指向打包幀數據結構體變量

* @param src_buf：指向串口接收的原始數據

* @param data_len:src_buf 本次串口接收到的原始數據個數

* @param sum_len：幀緩存的最大長度

* @return 本次處理的數據個數

*/

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？ Y-》獲取這幀的數據長度

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+數據長度+校驗

if（p_find_frame-》frame_len》=sum_len）

{ // 這里處理方法根據具體應用不一定相同

MY_DEBUGF（SLAVE_DEBUG，（“數據長度超出緩存！ ”））;

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：

定義數據結構體變量：

find_frame_structslave_find_frame_srt;

定義接收數據緩沖區：

#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：

init_find_frame_struct（&slave_find_frame_srt，slave_rec_buf，0xEE）;

在串口接收中斷中調用數據打包函數：

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，data_len 是本次接收的數據長度。

4. 數據發送

前文提到，傳統的等待發送方式會浪費 CPU 資源，而中斷發送方式雖然不會造成 CPU 資源浪費，但又增加了一個中斷源。在我們的使用中發現，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 來進行數據發送，通過合理設計后，這樣的發送方法即不會造成 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：定時器中斷觸發后，判斷是否有數據要發送，如果有數據要發送并且滿足發送條件，則將數據放入發送 FIFO 中，對于 lpc1778 來說，一次最多可以放 16 字節數據。之后硬件會自動啟動發送，無需 CPU 參與。

下面介紹如何使用定時器發送數據，硬件載體為 RS485。因為發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 定義數據結構

/*串口幀發送結構體*/

typedef struct {

uint16_t send_sum_len; // 要發送的幀數據長度

uint8_t send_cur_len; // 當前已經發送的數據長度

uint8_t send_flag; // 是否發送標志

uint8_t * send_data; // 指向要發送的數據緩沖區

}uart_send_struct;

4.2 定時處理函數

/**

* @brief 定時發送函數，在定時器中斷中調用，不使用發送中斷的情況下減少發送等待

* @param UARTx：指向硬件串口寄存器基地址

* @param p：指向串口幀發送結構體變量

*/

#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）） // 發送為空

{

if（p-》send_flag==FARME_SEND_FALG）

{

RS485ClrDE; // 置 485 為發送狀態

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

if（tmp32》SEND_DATA_NUM） // 向發送 FIFO 填充字節數據

{

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，設置 RS485 為發送模式；RS485SetDE 也為宏定義，設置 RS485 為接收模式。

使用例子：

定義數據結構體變量：

uart_send_struct uart0_send_str;

定義發送緩沖區：

uint8_t uart0_send_buf［UART0_SEND_LEN］;

根據使用的硬件串口，對定時處理函數做二次封裝：

void uart0_send_data（void）

{

uart_send_com（LPC_UART0，&uart0_send_str）;

}

將封裝函數 uart0_send_data（）;放入定時器中斷處理函數中；

在需要發送數據的地方，設置串口幀發送結構體變量：

uart0_send_str.send_sum_len=data_len; //data_len 為要發送的數據長度

uart0_send_str.send_cur_len=0; // 固定為 0

uart0_send_str.send_data=uart0_send_buf; // 綁定發送緩沖區

uart0_send_str.send_flag=FARME_SEND_FALG; // 設置發送標志

5. 總結

本文主要討論了一種高效的串口數據收發方法，并給出了具體的代碼實現。在當前處理器任務不斷增加的情況下，提供了一個占用資源少，可提高系統整體性能的新的思路。

責任編輯：haq