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摘要：串口是通信中最常用的通信方式，可能寫(xiě)串口的驅(qū)動(dòng)，能寫(xiě)幾十種方法， 查詢方式，中斷方式，DMA方式，定時(shí)器方式?？赡芤财渲袔追N方式的組合形式，經(jīng)典的用法是：發(fā)送用查詢方式，接收用中斷方式，或者DMA＋空閑中斷。本篇不講串口是啥，現(xiàn)在還在講串口是啥，估計(jì)會(huì)被噴。今天來(lái)聊一聊串口常用的幾種方式，最簡(jiǎn)單的方法就不說(shuō)了。

一、經(jīng)典方法

1. 查詢方式 可靠性很高，要考慮下個(gè)數(shù)據(jù)包覆蓋上一個(gè)數(shù)據(jù)包的問(wèn)題，小數(shù)據(jù)量，在10個(gè)字節(jié)以內(nèi)，可以這樣考慮， 很簡(jiǎn)單，很方便，很可靠。但是在數(shù)據(jù)量大的時(shí)候，程序阻塞的時(shí)間特別長(zhǎng)，影響其他比較重要的外設(shè)的處理。

2. 中斷方式 中斷方式 ， 不占用系統(tǒng)資源，但是如果數(shù)據(jù)量大，會(huì)頻繁中斷cpu, 會(huì)其他高優(yōu)先的數(shù)據(jù)處理造成影響。但是沒(méi)有DMA不占用資源的好處， 如果沒(méi)有串口隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)，必須通過(guò)標(biāo)志位判斷上一個(gè)包數(shù)據(jù)是否發(fā)送完成，在把新的數(shù)據(jù)覆蓋到串口的緩沖區(qū)。

3. DMA方式 優(yōu)點(diǎn): ?不占用系統(tǒng)資源，減少CPU對(duì)中斷的響應(yīng)。如何不建立數(shù)據(jù)包的隊(duì)列，還是會(huì)出現(xiàn)，需要等待阻塞的問(wèn)題。

二、環(huán)形隊(duì)列

隊(duì)列這個(gè)詞在數(shù)據(jù)局結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的比較多，與之對(duì)應(yīng)的就是堆棧，但是兩者的讀取方式又完全不同。

FIFO 是First-In First-Out的縮寫(xiě)，它是一個(gè)具有先入先出特點(diǎn)的緩沖區(qū)。串口設(shè)計(jì)FIFO的目的是為了提高串口的通訊性能。如果沒(méi)有FIFO或者說(shuō)緩沖區(qū)的長(zhǎng)度只有1字節(jié)，那么使用接收中斷，就意味著每次收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就要進(jìn)一次中斷，這樣頻繁進(jìn)中斷會(huì)占用CPU資源。另外如果沒(méi)有及時(shí)讀走數(shù)據(jù)，那么下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)就會(huì)覆蓋之前的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，這在通訊速率高的場(chǎng)合很有可能出現(xiàn)。

使用FIFO，可以在連續(xù)接收若干個(gè)數(shù)據(jù)后才產(chǎn)生一次中斷，然后一起進(jìn)行處理。這樣可以提高接收效率，避免頻繁進(jìn)中斷，適用于大數(shù)據(jù)傳輸。你可能會(huì)想到如果FIFO中的數(shù)據(jù)沒(méi)有達(dá)到指定長(zhǎng)度而無(wú)法產(chǎn)生中斷怎么辦，通常MCU會(huì)有接收超時(shí)中斷，即在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)入中斷，可以利用這個(gè)中斷把不足FIFO長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)最后都讀取完。

FIFO類(lèi)似售票排隊(duì)窗口，先到的人看到能先買(mǎi)到票，然后先走，后來(lái)的人只能后買(mǎi)到票。

在計(jì)算機(jī)中，每個(gè)信息都是存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的，當(dāng)有大量數(shù)據(jù)的時(shí)候，我們不能存儲(chǔ)所有的數(shù)據(jù)，那么計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的時(shí)候，只能先處理先來(lái)的，那么處理完后呢，就會(huì)把數(shù)據(jù)釋放掉，再處理下一個(gè)。那么，已經(jīng)處理的數(shù)據(jù)的內(nèi)存就會(huì)被浪費(fèi)掉。因?yàn)楹髞?lái)的數(shù)據(jù)只能往后排隊(duì)，如過(guò)要將剩余的數(shù)據(jù)都往前移動(dòng)一次，那么效率就會(huì)低下了，肯定不現(xiàn)實(shí)，所以，環(huán)形隊(duì)列就出現(xiàn)了。

點(diǎn)擊下方視頻動(dòng)態(tài)演示出隊(duì)入隊(duì)

1、環(huán)形隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)

在計(jì)算機(jī)中，是沒(méi)有環(huán)形的內(nèi)存的，只不過(guò)是我們將順序的內(nèi)存處理過(guò)，讓某一段內(nèi)存形成環(huán)形，使他們首尾相連，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這其實(shí)就是一個(gè)數(shù)組，只不過(guò)有兩個(gè)指針，一個(gè)指向列隊(duì)頭，一個(gè)指向列隊(duì)尾。指向列隊(duì)頭的指針是緩沖區(qū)可讀的數(shù)據(jù)，指向列隊(duì)尾的指針是緩沖區(qū)可寫(xiě)的數(shù)據(jù)，通過(guò)移動(dòng)這兩個(gè)指針即可對(duì)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作了，直到緩沖區(qū)已滿(頭尾相接)，將數(shù)據(jù)處理完，可以釋放掉數(shù)據(jù)，又可以進(jìn)行存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)了。

實(shí)現(xiàn)的原理：

視頻來(lái)自正在一名考研的UP主：禿頭少女王某人。計(jì)算機(jī)專業(yè)考研這個(gè)是必考點(diǎn)，視頻講的很棒，祝她一戰(zhàn)成碩，金榜題名！

串口環(huán)形緩沖區(qū)收發(fā)：在初學(xué)單片機(jī)的時(shí)候我們知道的串口收發(fā)都是：接收一個(gè)數(shù)據(jù)，觸發(fā)中斷，然后把數(shù)據(jù)發(fā)回來(lái)。這種處理方式是沒(méi)有緩沖的，當(dāng)數(shù)量太大的時(shí)候，亦或者當(dāng)數(shù)據(jù)接收太快的時(shí)候，我們來(lái)不及處理已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)，那么，當(dāng)再次收到數(shù)據(jù)的時(shí)候，就會(huì)將之前還未處理的數(shù)據(jù)覆蓋掉。那么就會(huì)出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象了，對(duì)我們的程序是一個(gè)致命的創(chuàng)傷。

那么如何避免這種情況的發(fā)生呢，很顯然，上面說(shuō)的一些隊(duì)列的特性很容易幫我們實(shí)現(xiàn)我們需要的情況。將接受的數(shù)據(jù)緩存一下，讓處理的速度有些許緩沖，使得處理的速度趕得上接收的速度，上面又已經(jīng)分析了普通隊(duì)列與環(huán)形隊(duì)列的優(yōu)劣了，那么我們肯定是用環(huán)形隊(duì)列來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)了。下面就是代碼的實(shí)現(xiàn)：

2、定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體

typedef?struct
{
????uint16_t?usWrite;
????uint16_t?usRead;
????uint16_t?usLenght;
????/*?FIFO?結(jié)構(gòu)?*/
????uint8_t??ucRing_Buff[RINGBUFF_LEN];

}RingBuff_T;

extern?RingBuff_T?g_ringBuff;


3、初始化隊(duì)列

初始化結(jié)構(gòu)體相關(guān)信息：使得我們的環(huán)形緩沖區(qū)是頭尾相連的，并且里面沒(méi)有數(shù)據(jù)，也就是空的隊(duì)列，所有元素清0。

void?RingBuff_Init(void)
{
????g_ringBuff.usWrite?=?0;
????g_ringBuff.usRead?=?0;
????g_ringBuff.usLenght?=?0;
}


4、數(shù)據(jù)壓入隊(duì)列

/**
*?@brief??Write_RingBuff
*?@param??uint8_t?_ucWriteData
*?@return?0:環(huán)形緩沖區(qū)已滿，寫(xiě)入失敗;1:寫(xiě)入成功
*?@note???往環(huán)形緩沖區(qū)寫(xiě)入uint8_t類(lèi)型的數(shù)據(jù)
*/
uint8_t?Write_RingBuff(uint8_t?_ucWriteData)
{
????if(g_ringBuff.usLenght?>=?RINGBUFF_LEN)?/*判斷緩沖區(qū)是否已滿*/
????{
????????return?0;
????}?
? g_ringBuff.ucRing_Buff[g_ringBuff.usRead]?=?_ucWriteData;
????g_ringBuff.usRead?=?(g_ringBuff.usRead? ?1)?%?RINGBUFF_LEN;?/*防止越界非法訪問(wèn)*/
????g_ringBuff.usLenght ;
????return?1;
}


5、從隊(duì)列中讀出數(shù)據(jù)

/**
*?@brief??Read_RingBuff
*?@param??u8?*rData，用于保存讀取的數(shù)據(jù)
*?@return?0:環(huán)形緩沖區(qū)沒(méi)有數(shù)據(jù)，讀取失敗;?1:讀取成功
*?@note???從環(huán)形緩沖區(qū)讀取一個(gè)uint8_t類(lèi)型的數(shù)據(jù)
*/
uint8_t?Read_RingBuff(uint8_t?*_usReadData)
{
????if(g_ringBuff.usLenght?==?0)/*判斷非空*/
????{
????????return?0;
????}
????*_usReadData?=?g_ringBuff.ucRing_Buff[g_ringBuff.usWrite];/*先進(jìn)先出FIFO，從緩沖區(qū)頭出*/
????g_ringBuff.usWrite?=?(g_ringBuff.usWrite? ?1)?%?RINGBUFF_LEN;?/*防止越界非法訪問(wèn)*/
????g_ringBuff.usLenght--;
????return?1;
}
對(duì)于讀寫(xiě)操作需要注意的地方有兩個(gè)：

“1：判斷隊(duì)列是否為空或者滿，如果空的話，是不允許讀取數(shù)據(jù)的，返回0。如果是滿的話，也是不允許寫(xiě)入數(shù)據(jù)的，避免將已有數(shù)據(jù)覆蓋掉。那么如果處理的速度趕不上接收的速度，可以適當(dāng)增大緩沖區(qū)的大小，用空間換取時(shí)間。2：防止指針越界非法訪問(wèn)，程序有說(shuō)明，需要使用者對(duì)整個(gè)緩沖區(qū)的大小進(jìn)行把握。

”

四、環(huán)形緩沖器

環(huán)形緩沖器(ringr buffer)，也稱作圓形隊(duì)列(circular queue)，循環(huán)緩沖區(qū)(cyclic buffer），圓形緩沖區(qū)(circula buffer)，是一種用于表示一個(gè)固定尺寸、頭尾相連的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，適合緩存數(shù)據(jù)流。

圓形緩沖區(qū)的一個(gè)有用特性是：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)元素被用掉后，其余數(shù)據(jù)元素不需要移動(dòng)其存儲(chǔ)位置。相反，一個(gè)非圓形緩沖區(qū)(例如一個(gè)普通的隊(duì)列)在用掉一個(gè)數(shù)據(jù)元素后，其余數(shù)據(jù)元素需要向前搬移。換句話說(shuō)，圓形緩沖區(qū)適合實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出緩沖區(qū)，而非圓形緩沖區(qū)適合后進(jìn)先出緩沖區(qū)。

那么如何將環(huán)形緩沖器ringr buffer應(yīng)用到串口上面呢？這里我們使用RT-Thread的源碼。

1、定義一個(gè)結(jié)構(gòu)體

/*?ring?buffer?*/
struct?rt_ringbuffer
{
????uint8_t?*buffer_ptr;
????uint16_t?read_mirror?:?1;
????uint16_t?read_index?:?15;
????uint16_t?write_mirror?:?1;
????uint16_t?write_index?:?15;
????uint16_t?buffer_size;
};


2、初始化ringbuffer

void?rt_ringbuffer_init(struct?rt_ringbuffer?*rb,
????????????????????????uint8_t???????????*pool,
????????????????????????uint16_t????????????size)
{
????RT_ASSERT(rb?!=?NULL);
????RT_ASSERT(size?>?0);

????/*?initialize?read?and?write?index?*/
????rb->read_mirror?=?rb->read_index?=?0;
????rb->write_mirror?=?rb->write_index?=?0;

????/*?set?buffer?pool?and?size?*/
????rb->buffer_ptr?=?pool;
????rb->buffer_size?=?RT_ALIGN_DOWN(size,?RT_ALIGN_SIZE);
}


3、將數(shù)據(jù)壓入ringbuffer

unsigned?long?rt_ringbuffer_put(struct?rt_ringbuffer?*rb,
????????????????????????????const?uint8_t?????*ptr,
????????????????????????????uint16_t???????????length)
{
????uint16_t?size;

????RT_ASSERT(rb?!=?NULL);

????/*?whether?has?enough?space?*/
????size?=?rt_ringbuffer_space_len(rb);

????/*?no?space?*/
????if?(size?==?0)
????????return?0;

????/*?drop?some?data?*/
????if?(size?????????length?=?size;

????if?(rb->buffer_size?-?rb->write_index?>?length)
????{
????????/*?read_index?-?write_index?=?empty?space?*/
????????memcpy(