使用硬件FIFO来优化串口的数据收发

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. }