基于51串口通訊編程軟件架構(gòu)剖析

前言：
串口通訊對(duì)于所有的嵌入式工程師十分常見，對(duì)于一個(gè)與外界交互的系統(tǒng)必須依賴一些手段，比如串口、USB、紅外、GPRS之類的數(shù)據(jù)通訊傳輸方式。而串口作為一種廉價(jià)的短距離可靠的通訊方式得到了廣泛應(yīng)用。
廢話少說(shuō)了，就此打住，進(jìn)入正題。
本文主要從軟件結(jié)構(gòu)上講解如何在資源比較缺乏的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)通訊協(xié)議的串口通訊編程，以及如何優(yōu)化程序效率，從而使系統(tǒng)更快、更穩(wěn)定運(yùn)行。

正文：
我們以51單片機(jī)為例。51中一般針對(duì)串口通訊編程，通常采取中斷接受查詢發(fā)送的方式。中斷函數(shù)在接受數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)被重復(fù)調(diào)用，其實(shí)是個(gè)重復(fù)入棧的過(guò)程，所以不宜將函數(shù)寫的太長(zhǎng)，函數(shù)太長(zhǎng)一般會(huì)導(dǎo)致棧太深占用系統(tǒng)資源，二是處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能導(dǎo)致通訊出錯(cuò)。為了防止在處理數(shù)據(jù)過(guò)程中不受干擾，通常在處理接受數(shù)據(jù)前關(guān)閉中斷，處理完后再開。
通常的的編程方式如下：
static void UartInterruptService(void) interrupt 4
{
ES = 0;
RI = 0;
uart_process(SBUF);
ES=1;
}
下面重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)處理函數(shù) uart_process(SBUF);
其實(shí)很多時(shí)候，對(duì)于通訊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)處理才是關(guān)鍵，尤其對(duì)于設(shè)計(jì)通訊協(xié)議而言。筆者在剛剛做的一個(gè)系統(tǒng)上就碰到這樣的問(wèn)題，當(dāng)系統(tǒng)龐大了，資源十分有限的情況下，數(shù)據(jù)處理一旦占用資源太多，效率太低將導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰而無(wú)法運(yùn)行。
到了這里，很多工程師可能會(huì)考慮開個(gè)大的緩沖區(qū)FIFO將接收到的數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)，然后對(duì)其進(jìn)行解析、判斷進(jìn)行下一步程序編寫，當(dāng)然這在系統(tǒng)資源比較豐富的情況下是沒(méi)有問(wèn)題的，ARM上采取的就是這樣的方式。但如何系統(tǒng)龐大呢，留給的資源缺乏則不行。這樣做的一個(gè)很大缺點(diǎn)必須是將數(shù)據(jù)幀接收完了才能夠判斷，降低了效率和運(yùn)行速度。
其實(shí)還有另外的方式，可以采取在每接收一個(gè)字節(jié)就對(duì)其解析，解析完判斷轉(zhuǎn)到下一個(gè)狀態(tài)，并將其中的有用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中去，可以采取狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。

將狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)為兩個(gè)控制狀態(tài)，一是串口狀態(tài)——uart_state ,一是命令類型狀態(tài)——cmd_state .
(1)狀態(tài)機(jī)開始狀態(tài)：串口狀態(tài)為CMD_NO
(2)接受到STX_CMD,狀態(tài)變?yōu)镃MD_START.
(3)接下來(lái)將自動(dòng)進(jìn)入接受命令幀的狀態(tài)，再開啟命令狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)，對(duì)發(fā)送來(lái)的有用數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，保存，校驗(yàn)等。處理完畢后將uart_state設(shè)為CMD_END狀態(tài)進(jìn)行下一步的接受完畢判斷，將cmd_state設(shè)置為初始的NO_CMD狀態(tài)。
(4)最后進(jìn)行ETX_CMD判斷，判斷數(shù)據(jù)接收是否完畢。


void uart_process(U8 u8)
{
if(uart_state == CMD_NO)
{
if(u8 == STX_CMD)
{
uart_state = CMD_START;
}

}
else if(uart_state == CMD_START)
{
switch(cmd_state)
{
case NO_CMD:
cmd_state = u8;
break;

case COST_CMD:
//解析存儲(chǔ)有用數(shù)據(jù)到相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中
//進(jìn)行CRC校驗(yàn)
……
uart_state = CMD_END;
cmd_state = NO_CMD;
CRC = 0;
break;
……
}
……
}
else if(uart_state == CMD_END)
{
uart_state = CMD_NO;
if(u8 == ETX_CMD)
{
//接受完畢
//可以考慮拋出一個(gè)消息main函數(shù)循環(huán)中進(jìn)行響應(yīng)處理。
}

}
}


接下來(lái)我們要討論解析后我們數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的問(wèn)題，其實(shí)在資源比較足夠的情況下或者能夠擠出data區(qū)的情況下可以考慮用結(jié)構(gòu)體，我們構(gòu)造好相應(yīng)結(jié)構(gòu)體，將接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)去，要應(yīng)用的時(shí)候就十分方便。但這也有個(gè)矛盾，一般c51定義的結(jié)構(gòu)體都被存儲(chǔ)在data區(qū)，一般通訊的字節(jié)量大空間必然不夠，存在一個(gè)矛盾，可以采用聯(lián)合體union進(jìn)行存儲(chǔ)效果會(huì)好一點(diǎn)。當(dāng)然也可以在保存數(shù)據(jù)時(shí)采用定義在xdata區(qū)（片外）的buffer來(lái)存儲(chǔ)。這樣在一定程序上優(yōu)化了程序的執(zhí)行效率，在程序處理立即拋出消息處理，提高了通訊數(shù)據(jù)的處理速度。對(duì)于通常資源比較豐富的系統(tǒng)，比如ARM上一般采取的做法是這樣的，將數(shù)據(jù)存在緩沖區(qū)，接收完一幀數(shù)據(jù)后再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行分析、校驗(yàn)。

總體來(lái)說(shuō)，這種采取狀態(tài)機(jī)實(shí)時(shí)解析串口通訊數(shù)據(jù)的方式在一定程序提高了程序運(yùn)行效率，使軟件架構(gòu)清晰明了，程序可擴(kuò)展性大，有利于后續(xù)開發(fā)。以上是筆者的一點(diǎn)愚見，歡迎指教。