嵌入式系統(tǒng)上的異步串口通信的實現(xiàn)

　　在嵌入式系統(tǒng)中，異步串口(UART)使用非常頻繁，可以用于與各種外部系統(tǒng)(幀括PC)之間的通信。在硬件上UART通過在每個字節(jié)的傳輸中插入開始位和停止位，保證接收端可以正確地找到字節(jié)的開始和結(jié)束，同時也可以通過插入奇偶校驗位，讓接收端檢驗收到的字節(jié)是否正確。而且，由于有開始位和停止位的存在，使得字節(jié)之間可以插入任意的空閑位(與停止位同為高電平)，而不影響下一個字節(jié)的正常傳輸。因此，UART硬件保證了每個字節(jié)的正確傳輸，并可以有效檢出字節(jié)傳輸?shù)腻e誤。但并不保證一串字節(jié)的正確傳輸，這需要軟件來完成。

　　從軟件的角度來看，所有的通信都是一串字節(jié)(叫做數(shù)據(jù)幀)的連續(xù)傳輸。軟件需要采用適當(dāng)?shù)臋C制來保證接收端能夠正確識別出一個完整的數(shù)據(jù)幀、能夠檢查接收到的數(shù)據(jù)幀是正確的、在傳輸發(fā)生錯誤時有合適的恢復(fù)機制。為此就需要定義一個合適的數(shù)據(jù)幀格式。

　　數(shù)據(jù)幀的提取

　　為了識別出一個完整的數(shù)據(jù)幀，基本上有兩個機制：一是在軟件上規(guī)定字節(jié)之間的間隔最大值，一旦兩個字節(jié)間的間隔超過某個閾值，就認(rèn)為一個數(shù)據(jù)幀結(jié)束;另一種機制不對字節(jié)間的間隔作規(guī)定，而是用特殊的字節(jié)來定義數(shù)據(jù)報的開始和結(jié)束，當(dāng)收到該特殊字節(jié)時，就認(rèn)為一個數(shù)據(jù)幀的傳輸已完成。

　　采用第一種機制的，比如Modbus-RTU。就是規(guī)定了同一個數(shù)據(jù)幀的字節(jié)間隔不能大于1.5個字節(jié)的傳輸時間，一旦大于該間隔，則認(rèn)為前一個幀的傳輸已經(jīng)結(jié)束，或者出錯。同時為了保證不同數(shù)據(jù)幀之間有足夠的間隔，還規(guī)定了兩個數(shù)據(jù)幀之間最少插入3.5個字節(jié)的空閑位。下圖摘自Modbus協(xié)議，表示了一個正確的數(shù)據(jù)幀、錯誤的數(shù)據(jù)幀以及數(shù)據(jù)幀之間的間隔。同時在數(shù)據(jù)報中引入了CRC，用于檢出數(shù)據(jù)幀層面的傳輸錯誤。

　　第二種機制需要選用一個特殊字節(jié)作為幀頭幀尾(也可以給幀頭幀尾選用不同的字節(jié))，比如說，選用0xFF作為幀頭幀尾字節(jié)，也即發(fā)送端在每個數(shù)據(jù)幀的頭尾都插入至少一個0xFF，接收端收到該字節(jié)就結(jié)束上一個幀的接收，同時從下一個非0xFF字節(jié)開始一個新的數(shù)據(jù)幀的接收。但該機制有一個問題，那就是所選的特殊字節(jié)(此處是0xFF)也可能是數(shù)據(jù)幀中的一個有效字節(jié)，如果不作特殊處理，接收端就可能把這個數(shù)據(jù)幀中的字節(jié)誤認(rèn)為是數(shù)據(jù)幀的結(jié)束標(biāo)識，從而導(dǎo)致接收錯誤。因此，此處采取字節(jié)替換的特殊處理，以消除在數(shù)據(jù)幀的中間出現(xiàn)的特殊字節(jié)，以下是一個例子。

　　在此處，選0xFE作為字節(jié)替換的標(biāo)識字節(jié)，將0xFF替換成0xFE 0x0F。由于0xFE是字節(jié)替換的標(biāo)志，也成了一個特殊字符，同樣需要進(jìn)行替換。在上圖中，將0xFE替換成0xFE 0x0E。

　　采用該機制時，發(fā)送端對數(shù)據(jù)幀中的所有0xFF，0xFE進(jìn)行替換。在接收端則進(jìn)行反向替換。如果在接收端的0xFE后面的字節(jié)收到非0x0F，0x0E的字符，說明發(fā)生了傳輸錯誤，丟棄已經(jīng)接收的內(nèi)容，重新搜索幀頭字符開始一個新數(shù)據(jù)幀的接收。

　　數(shù)據(jù)幀的校驗

　　考慮到串口通信有一定的誤碼率，無論是采用那種傳輸方式，必須有錯誤幀檢出機制。通常選用的是CRC。一般用2個字節(jié)或4個字節(jié)。

　　串口驅(qū)動的實現(xiàn)

　　在嵌入式系統(tǒng)中，串口驅(qū)動的實現(xiàn)一般有兩個途徑：一個是通過串口的收發(fā)中斷與串口控制器的Buffer直接交換數(shù)據(jù);另一種是通過DMA，利用DMA與串口Buffer交互自動收發(fā)數(shù)據(jù)。

　　與串口控制器直接交互的方式，實現(xiàn)簡單，既可以實時進(jìn)行字節(jié)替換以節(jié)省內(nèi)存，也可以方便設(shè)置字節(jié)間的定時器。但頻繁打斷CPU，對有一定BUFFER大小的串口，還可以利用BUFFER進(jìn)行性能優(yōu)化，而對一些只有一個字節(jié)或兩個字節(jié)BUFFER的串口，就需要一個字節(jié)起一次中斷，如果CPU負(fù)荷較重，很容易由于中斷處理不及時而導(dǎo)致字節(jié)丟失，特別是在高波特率的情況。

　　利用DMA與串口控制器交互的方式，由于不能實時進(jìn)行字節(jié)替換，需要在放入DMA之前完成字節(jié)替換，導(dǎo)致占用較大內(nèi)存空間。另外對于字節(jié)間間隔敏感的傳輸策略，需要用另外的機制，比如PRS，去操作定時器。用DMA的另一個問題是在接收時無法實時確定幀尾(采用幀頭幀尾模式時)，一般只能采用定時器與DMA配合，用字節(jié)流的方式處理接收。