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[资源分享]     STM32串口开发之环形缓冲区

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  • 2021-07-07 02:00:08
  • 01、简介

    在之前的文章《stm32 串口详解》中,我们讲解了串口的基本应用,使用串口中断接收数据,串口中断发送回包(一般可以使用非中断形式发送回包,在数据接收不频繁的应用中。串口接收中断保证串口数据及时响应,使用非中断方式发送回包即可)。

    后面的文章《STM32使用DMA接收串口数据》和《STM32使用DMA发送串口数据》讲解了如何使用DMA辅助串口收发数据,使用DMA的好处在于不用CPU即可完成串口收发数据,减轻CPU负担,在串口通信频繁且不想频繁中断的应用中非常有用。

    除了上述两种场景,还有一种应用场景:串口接收数据长度位置,频率未知,不要求实时处理的场景。如果采用上述方案,接收一帧数据立即处理,那么在处理的时候来的数据包就“丢失”了。这个时候就需要缓冲队列来解决这个问题。

    02、缓冲区

    缓冲区看名字就知道,是缓冲数据用的。实现缓冲区最简单的办法时,定义多个数组,接收一包数据到数组A,就把接收数据的地址换成数组B,每个数据有个标记字节用于表示这个数组是否收到数据,收到数据是否处理完成。

    上述方案是完全可行的,但有缺点:

    ①缓冲数据组数一定,且有多变量,代码结构不太清晰。

    ②接收数据长度可能大于数组大小,也可能小于数组大小。不灵活,需要接收数据很长时容易出错,且内存利用率低。

    解决这个问题的好办法是:环形缓冲区。

    环形缓冲区就是一个带“头指针”和“尾指针”的数组。“头指针”指向环形缓冲区中可读的数据,“尾指针”指向环形缓冲区中可写的缓冲空间。通过移动“头指针”和“尾指针”就可以实现缓冲区的数据读取和写入。在通常情况下,应用程序读取环形缓冲区的数据仅仅会影响“头指针”,而串口接收数据仅仅会影响“尾指针”。当串口接收到新的数组,则将数组保存到环形缓冲区中,同时将“尾指针”加1,以保存下一个数据;应用程序在读取数据时,“头指针”加1,以读取下一个数据。当“尾指针”超过数组大小,则“尾指针”重新指向数组的首元素,从而形成“环形缓冲区”!,有效数据区域在“头指针”和“尾指针”之间。如下图

     

     

     如上面说的,环形缓冲区其实就是一个数组,将其“剪开”,然后“拉直”后如下图

     

     

     环形缓冲区的特性

    1、先进新出。

    2、当缓冲区被使用完,且又有新的数据需要存储时,丢掉历史最久的数据,保存最新数据。

    03、代码实现

    环形缓冲区的实现很简单,只需要简单的几个接口即可。

    首先需要创建一个环形缓冲区

    #define  RINGBUFF_LEN          (500)     //定义最大接收字节数 500
    #define  RINGBUFF_OK           1     
    #define  RINGBUFF_ERR          0   
    typedef struct
    {
        uint16_t Head;           
        uint16_t Tail;
        uint16_t Lenght;
        uint8_t  Ring_data[RINGBUFF_LEN];
    }RingBuff_t;
    RingBuff_t ringBuff;//创建一个ringBuff的缓冲区

    当我们发现环形缓冲区被“冲爆”时,也就是缓冲区满了,但是还有待缓冲的数据时,只需要修改RINGBUFF_LEN的宏定义,增大缓冲区间即可。

    环形缓冲区的初始化

     
    /**
    * @brief  RingBuff_Init
    * @param  void
    * @return void
    * @note   初始化环形缓冲区
    */
    void RingBuff_Init(void)
    {
      //初始化相关信息
      ringBuff.Head = 0;
      ringBuff.Tail = 0;
      ringBuff.Lenght = 0;
    }

    主要是将环形缓冲区的头,尾和长度清零,表示没有任何数据存入。

    环形缓冲区的写入

    /**
    * @brief  Write_RingBuff
    * @param  uint8_t data
    * @return FLASE:环形缓冲区已满,写入失败;TRUE:写入成功
    * @note   往环形缓冲区写入uint8_t类型的数据
    */
    uint8_t Write_RingBuff(uint8_t data)
    {
      if(ringBuff.Lenght >= RINGBUFF_LEN) //判断缓冲区是否已满
      {
        return RINGBUFF_ERR;
      }
      ringBuff.Ring_data[ringBuff.Tail]=data;
      ringBuff.Tail = (ringBuff.Tail+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法访问
      ringBuff.Lenght++;
      return RINGBUFF_OK;
    }

    这个接口是写入一个字节到环形缓冲区。这里注意:大家可以根据自己的实际应用修改为一次缓冲多个字节。并且这个做了缓冲区满时报错且防止非法越界的处理,大家可以自行修改为缓冲区满时覆盖最早的数据。

    环形缓冲区的读取

    /**
    * @brief  Read_RingBuff
    * @param  uint8_t *rData,用于保存读取的数据
    * @return FLASE:环形缓冲区没有数据,读取失败;TRUE:读取成功
    * @note   从环形缓冲区读取一个u8类型的数据
    */
    uint8_t Read_RingBuff(uint8_t *rData)
    {
      if(ringBuff.Lenght == 0)//判断非空
      {
        return RINGBUFF_ERR;
      }
      *rData = ringBuff.Ring_data[ringBuff.Head];//先进先出FIFO,从缓冲区头出
      ringBuff.Head = (ringBuff.Head+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法访问
      ringBuff.Lenght--;
      return RINGBUFF_OK;
    }

    读取的话也很简单,同样是读取一个字节,大家可以自行修改为读取多个字节。

    04、验证

    光说不练假把式,下面我们就来验证上面的代码可行性。

    串口中断函数中缓冲数据

    void USART1_IRQHandler(void)
    {
      if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE))
      {
        Write_RingBuff(USART_ReceiveData(USART1));
        USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_RXNE);
      }
    }

    在主循环中,读取缓冲区的数据,然后发送出去,因为是简单的demo,添加了延时模拟CPU处理其他任务。

     
    while (1)
      {
        if(Read_RingBuff(&data))            //从环形缓冲区中读取数据
        {
          USART_SendData(USART1, data);
        }
        SysCtlDelay(1*(SystemCoreClock/3000));
      }

    结果显示没有出现丢包问题。如果你的应用场景串口通信速率快,数据量大或处理速度慢导致丢包,建议增大RINGBUFF_LEN的宏定义,增大缓冲区间即可。

    Keil和IAR的工程文件下载地址:

    https://github.com/strongercjd/STM32F207VCT6

    点击查看本文所在的专辑,STM32F207教程

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