本文介紹如何使用帶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：

（1）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。

（2）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）。

（3）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）。

（4）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!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_struct slave_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;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。

來源：嵌入式資訊精選（作者：張巧龍）