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摘要：串口是通信中最常用的通信方式，可能寫串口的驅(qū)動，能寫幾十種方法， 查詢方式，中斷方式，DMA方式，定時器方式?？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，估計會被噴。今天來聊一聊串口常用的幾種方式，最簡單的方法就不說了。

一、經(jīng)典方法

1. 查詢方式 可靠性很高，要考慮下個數(shù)據(jù)包覆蓋上一個數(shù)據(jù)包的問題，小數(shù)據(jù)量，在10個字節(jié)以內(nèi)，可以這樣考慮， 很簡單，很方便，很可靠。但是在數(shù)據(jù)量大的時候，程序阻塞的時間特別長，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，會頻繁中斷cpu, 會其他高優(yōu)先的數(shù)據(jù)處理造成影響。但是沒有DMA不占用資源的好處， 如果沒有串口隊列的實現(xiàn)，必須通過標(biāo)志位判斷上一個包數(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: ?不占用系統(tǒng)資源，減少CPU對中斷的響應(yīng)。如何不建立數(shù)據(jù)包的隊列，還是會出現(xiàn)，需要等待阻塞的問題。

二、環(huán)形隊列

隊列這個詞在數(shù)據(jù)局結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的比較多，與之對應(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，它是一個具有先入先出特點的緩沖區(qū)。串口設(shè)計FIFO的目的是為了提高串口的通訊性能。如果沒有FIFO或者說緩沖區(qū)的長度只有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)中斷會占用CPU資源。另外如果沒有及時讀走數(shù)據(jù)，那么下一個字節(jié)數(shù)據(jù)就會覆蓋之前的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，這在通訊速率高的場合很有可能出現(xiàn)。

使用FIFO，可以在連續(xù)接收若干個數(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。你可能會想到如果FIFO中的數(shù)據(jù)沒有達(dá)到指定長度而無法產(chǎn)生中斷怎么辦，通常MCU會有接收超時中斷，即在一定的時間內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)會進(jìn)入中斷，可以利用這個中斷把不足FIFO長度的數(shù)據(jù)最后都讀取完。

FIFO類似售票排隊窗口，先到的人看到能先買到票，然后先走，后來的人只能后買到票。

在計算機中，每個信息都是存儲在存儲單元中的，當(dāng)有大量數(shù)據(jù)的時候，我們不能存儲所有的數(shù)據(jù)，那么計算機處理數(shù)據(jù)的時候，只能先處理先來的，那么處理完后呢，就會把數(shù)據(jù)釋放掉，再處理下一個。那么，已經(jīng)處理的數(shù)據(jù)的內(nèi)存就會被浪費掉。因為后來的數(shù)據(jù)只能往后排隊，如過要將剩余的數(shù)據(jù)都往前移動一次，那么效率就會低下了，肯定不現(xiàn)實，所以，環(huán)形隊列就出現(xiàn)了。

點擊下方視頻動態(tài)演示出隊入隊

1、環(huán)形隊列的實現(xiàn)

在計算機中，是沒有環(huán)形的內(nèi)存的，只不過是我們將順序的內(nèi)存處理過，讓某一段內(nèi)存形成環(huán)形，使他們首尾相連，簡單來說，這其實就是一個數(shù)組，只不過有兩個指針，一個指向列隊頭，一個指向列隊尾。指向列隊頭的指針是緩沖區(qū)可讀的數(shù)據(jù)，指向列隊尾的指針是緩沖區(qū)可寫的數(shù)據(jù)，通過移動這兩個指針即可對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作了，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)行存儲新的數(shù)據(jù)了。

實現(xiàn)的原理：

視頻來自正在一名考研的UP主：禿頭少女王某人。計算機專業(yè)考研這個是必考點，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)單片機的時候我們知道的串口收發(fā)都是：接收一個數(shù)據(jù)，觸發(fā)中斷，然后把數(shù)據(jù)發(fā)回來。這種處理方式是沒有緩沖的，當(dāng)數(shù)量太大的時候，亦或者當(dāng)數(shù)據(jù)接收太快的時候，我們來不及處理已經(jīng)收到的數(shù)據(jù)，那么，當(dāng)再次收到數(shù)據(jù)的時候，就會將之前還未處理的數(shù)據(jù)覆蓋掉。那么就會出現(xiàn)丟包的現(xiàn)象了，對我們的程序是一個致命的創(chuàng)傷。

那么如何避免這種情況的發(fā)生呢，很顯然，上面說的一些隊列的特性很容易幫我們實現(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)分析了普通隊列與環(huán)形隊列的優(yōu)劣了，那么我們肯定是用環(huán)形隊列來進(jìn)行實現(xiàn)了。下面就是代碼的實現(xiàn)：

2、定義一個結(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，并且里面沒有數(shù)據(jù)，也就是空的隊列，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)壓入隊列

/**
*?@brief??Write_RingBuff
*?@param??uint8_t?_ucWriteData
*?@return?0:環(huán)形緩沖區(qū)已滿，寫入失敗;1:寫入成功
*?@note???往環(huán)形緩沖區(qū)寫入uint8_t類型的數(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*/
????g_ringBuff.usLenght ;
????return?1;
}


5、從隊列中讀出數(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uint8_t類型的數(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*/
????g_ringBuff.usLenght--;
????return?1;
}
對于讀寫操作需要注意的地方有兩個：

“1：判斷隊列是否為空或者滿，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，用空間換取時間。2：防止指針越界非法訪問，程序有說明，需要使用者對整個緩沖區(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)的一個有用特性是：當(dāng)一個數(shù)據(jù)元素被用掉后，其余數(shù)據(jù)元素不需要移動其存儲位置。相反，一個非圓形緩沖區(qū)(例如一個普通的隊列)在用掉一個數(shù)據(jù)元素后，其余數(shù)據(jù)元素需要向前搬移。換句話說，圓形緩沖區(qū)適合實現(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(