什么樣的幀頭是足夠特殊的數(shù)據(jù)呢？

本篇文章包含以下內(nèi)容，很長，但干貨滿滿，就看你能吸收多少了（這將是魚鷹本階段公眾號技術(shù)分享的最后一篇收尾文章）：

傳入參數(shù)指針

互斥鎖釋放順序

數(shù)據(jù)幀檢查

串口空閑

通信吞吐量

內(nèi)容很多，魚鷹慢慢寫，道友您也請慢慢看。

為了更好的理解接下來的知識點，魚鷹將設計一個串口框架，讓道友心中有一個參考方向。

本篇重點在于解決如何寫一個健壯、高效的串口接收數(shù)據(jù)，發(fā)送與接收處理過程略講。

幀格式

先聊聊幀格式，一般來說，一個數(shù)據(jù)幀有以下幾部分內(nèi)容：

幀頭

幀頭用于分辨一個數(shù)據(jù)幀的起始，這個幀頭必須足夠特殊才行，因為它是分辨一個幀的起始，那么什么樣的幀頭是足夠特殊的數(shù)據(jù)呢？保證這個數(shù)據(jù)在一個幀內(nèi)最好只出現(xiàn)一次的數(shù)據(jù)，那就是幀頭，比如0x55、0xAA之類的。而且最好有兩個字節(jié)以上，這樣幀頭才更加獨一無二。

但是數(shù)據(jù)域內(nèi)的數(shù)據(jù)你是沒辦法保障不包含和幀頭一樣的數(shù)據(jù)。

那么如果不湊巧，除了幀頭外其他部分也有這樣的兩個字節(jié)的幀頭，那會出現(xiàn)什么問題？

幾乎不會出現(xiàn)問題。因為一般來說數(shù)據(jù)都是一幀一幀發(fā)送的，只要你前面的數(shù)據(jù)幀傳輸正確，那么即使下一幀的數(shù)據(jù)中有和幀頭一樣的數(shù)據(jù)（包括幀頭）也沒有問題，因為幀頭判斷已經(jīng)在開始就判斷成功了，就不會繼續(xù)判斷后面的數(shù)據(jù)是否是幀頭了。

那么為什么說是幾乎，因為如果上一幀數(shù)據(jù)接收錯誤，那么程序必須再找一次幀頭才行（單字節(jié)接收時是如此，采用空閑中斷的話就不需要這么麻煩），這就導致找?guī)^的時候在幀頭數(shù)據(jù)之外尋找了，很可能這些數(shù)據(jù)就有幀頭。

但是即使幀頭數(shù)據(jù)之外的假幀頭真的存在，也沒關(guān)系，還有第二重保障，那就是校驗，即使找到了一個錯誤的幀頭，那么數(shù)據(jù)校驗這一關(guān)也很難過去，所以放寬心。

如果校驗也湊巧通過了，那還有第三重保障：幀尾。應該到不了這里吧，畢竟這比中彩票還難。

又要上一幀數(shù)據(jù)接收錯誤，還要當前幀除了幀頭之外還有幀頭，另外你還能跳過校驗的檢查（還有功能字、長度信息的檢查），太難了。所以只要通過了這些檢查，你就可以認為這個數(shù)據(jù)幀是可用的了。所以一幀數(shù)據(jù)接收錯誤，導致的問題最多只是丟失了這幀數(shù)據(jù)，對后續(xù)接收是不會有影響的（前提是你這個接收程序設計的足夠好），發(fā)送端在發(fā)送超時后再發(fā)送一次即可，所以重發(fā)機制很重要。

事實上，如果你采用串口空閑中斷，幀頭、幀尾都可以不用，但一般來說，幀頭都會保留，幀尾可以不需要，這是為了當單片機沒有串口空閑中斷時考慮，當然也可能有其他考慮，所以幀頭得保留。

功能字

功能字主要用于說明該數(shù)據(jù)幀的功能，當然也可以作為函數(shù)指針的索引，一個索引值代表了一個具體功能，據(jù)此可找到對應的功能函數(shù)。

比如，設計一個函數(shù)指針數(shù)組，通過功能字進行索引，進而跳轉(zhuǎn)到對應的功能函數(shù)中處理。

特別注意的是，設計功能字的時候，要考慮兼容性，對數(shù)據(jù)幀的功能進行劃分，不要想到一個算一個，功能字也不要隨便安排，不然在以后增加數(shù)據(jù)幀的時候會很麻煩。

比如說，只有一個字節(jié)的功能字，前四位作為一個大類，后四位作為大類中具體類。這樣就可以將系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信幀分為16個大類，每個大類下有16個可用的具體類，當你增加功能字的時候，就可以根據(jù)你的設計來確定屬于哪個大類了，然后再插入進去。這樣在管理、維護這些通信數(shù)據(jù)時你會發(fā)現(xiàn)很方便。

這個思想其實在ARM內(nèi)核的中斷系統(tǒng)和設計 uCOS II 任務優(yōu)先級的時候都有，而魚鷹在設計項目的通信協(xié)議的時候就是運用了這些思想。

（圖片來源于《權(quán)威指南》）

長度

長度信息也是一個非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，別小看了它，因為它，魚鷹用了將近一個星期的時間才把一個HardFaul問題解決了，雖然這個程序bug不是我寫的（魚鷹一直用的是串口空閑接收方式，這個bug自然而然就跳過了），但確實很容易出錯。

因為它是決定了你這個數(shù)據(jù)域長度的關(guān)鍵信息（一般長度信息代表數(shù)據(jù)域的長度，而不包含其它部分長度），也是這個數(shù)據(jù)幀的長度信息（加上固定字節(jié)長度就是幀長度了），更是接收程序還要接收多少數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息（對于空閑中斷接收方式不算關(guān)鍵，這里的不關(guān)鍵是指不會造成程序異常問題）。

比如說你的程序剛好將幀頭、幀尾、功能字判斷完畢，然后中斷程序因為種種原因?qū)е聸]有及時接收串口數(shù)據(jù)，那么你可能得到的就是錯誤的數(shù)據(jù)，然后這個錯誤的長度數(shù)據(jù)就可能導致你的棧幀或者全局變量被破壞（單字節(jié)接收情況下就可能出現(xiàn)，因為魚鷹碰到過），這是很嚴重的事情。所以在接收數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)之前一定一定要判斷這個長度信息（空閑中斷除外）是否合法，不合法的話及時扔掉這幀數(shù)據(jù)，開始下一幀的數(shù)據(jù)檢查。

所以為了保證及時接收數(shù)據(jù)，最好采用DMA傳輸。

數(shù)據(jù)域

這個沒啥好說的，就是整個幀你真正需要發(fā)送的數(shù)據(jù)。而為了讓你的發(fā)送函數(shù)能接收各種類型的數(shù)據(jù)，那么把參數(shù)類型設置為 void * 會是不錯的選擇。

校驗

一個數(shù)據(jù)在接收過程中可能會被干擾，導致接收到錯誤的數(shù)據(jù)，那么如何保證這幀數(shù)據(jù)的完整與準確性呢，就在校驗這一關(guān)了。

校驗有很多方式，和校驗、CRC校驗等（奇偶校驗是針對一個字節(jié)的，不是數(shù)據(jù)幀）。

和校驗算法簡單，CPU運算量小，累加最后只取最低字節(jié)即可（注意不是高字節(jié)，想想為什么），或者保存累加和的變量就是一個字節(jié)空間，這樣就不需要額外操作了。

CRC校驗，這個算法復雜，理解起來比較困難，但一般來說可以直接拿來用，因為它是對每一位（bit）進行校驗，所以糾錯率很高，幾乎不存在發(fā)現(xiàn)不了的數(shù)據(jù)錯誤，但正因為對每一位進行檢查，所以CPU運算量較大，但是有的單片機是可以硬件計算CRC校驗值的（比如stm32）。不過現(xiàn)在CPU運算速度都挺快的，軟件運算也是可以接受的。

那么該怎么校驗呢？是從幀頭開始到數(shù)據(jù)域部分，還是說直接校驗數(shù)據(jù)部分？其實都可以，區(qū)別就是運算量問題，不過問題不大（最好是從頭開始校驗，以保證整幀數(shù)據(jù)的準確性）。

幀尾

前面說了，幀尾在空閑中斷中可以不用，RXNE中斷接收時其實也可以不用，當然也可以加上，好處就是當你用串口助手查看數(shù)據(jù)流時，可以觀察出一幀數(shù)據(jù)是否發(fā)送完整了。

最后再說說為什么在數(shù)據(jù)域前面設計四個字節(jié)大小，除了協(xié)議本身需要外，還有一個原因就是強制類型轉(zhuǎn)化需要，我們知道，一般來說，賦值時都有字節(jié)對齊的限制（實際上有的CPU可以不對齊進行賦值），stm32是32位的，那么四字節(jié)對齊是最合適的，這樣就可以直接將我們收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為需要的數(shù)據(jù)類型了。

傳輸過程

聊完了幀格式，再從大的方向看串口的傳輸過程：

當發(fā)送端發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)包時，接收端通過某種方式接收（串口接收非空RXNE中斷、串口空閑IDLE中斷），為了讓串口能夠觸發(fā)空閑中斷，必須在發(fā)送端兩個發(fā)送幀之間插入一段空閑時間（就是在此時間內(nèi)不發(fā)數(shù)據(jù)，紅色部分），保證空閑中斷的準確觸發(fā)。

同理，為了讓發(fā)送端也能正常接收接收端的數(shù)據(jù)，也需要控制接收端的發(fā)送，不能在返回一幀數(shù)據(jù)時立馬發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，不然觸發(fā)不了發(fā)送端的空閑中斷。

事實上，有些程序員設計的發(fā)送、接收過程比這個簡單一些。即只有當接收端接收到一幀數(shù)據(jù)并返回一幀數(shù)據(jù)之后，發(fā)送端才能繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣一來，我們只需要控制好接收端的頻率，就可以控制整個通信過程，也能控制通信頻率。

但為什么還要設計成第一種傳輸情況呢？這是為了充分利用串口，增大數(shù)據(jù)吞吐率（這個后面再說）。

另外，不知道你是否觀察到圖中的每個數(shù)據(jù)幀占用的時間是不一樣的，這是因為每個數(shù)據(jù)幀不可能都是一樣長的，它們是不定長的數(shù)據(jù)包，所以你的定時不能從發(fā)送開始定時，而是從發(fā)送完成后開始定時控制空閑時間。

軟件設計

上面所有的內(nèi)容都是設定一些條件、需求，那么該如何實現(xiàn)軟件設計呢？畢竟說的再多，如果不能實現(xiàn)這些，又有什么用呢？talk is cheap， show me the code。

下圖設計了三個數(shù)據(jù)幀：GetVision（），GetSN（），GetMsg（）。

GetVision（）用于獲取硬件版本號、軟件版本號。

GetSN（）用于獲取產(chǎn)品序列號，用于識別唯一設備。

GetMsg（）用于獲取消息，可以獲取各種傳感器數(shù)據(jù)，事實上，如果數(shù)據(jù)量多的話，根據(jù)傳感器的不同，會根據(jù)需要設計各種不同的數(shù)據(jù)幀（功能字不同）。

在軟件設計上一般都會對這些函數(shù)設計一個統(tǒng)一的函數(shù)類型，用函數(shù)指針數(shù)組統(tǒng)一管理。

既要統(tǒng)一，又要體現(xiàn)差異性，函數(shù)參數(shù)就顯得很有必要了。

這里設計了兩個參數(shù)，一個是void* （無類型指針），一個是length（長度）。

無類型指針主要是用于傳遞數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)地址，而數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)可能是整型、浮點型、結(jié)構(gòu)體、枚舉、聯(lián)合體等，為了保證傳入的各種數(shù)據(jù)類型在不通過強制轉(zhuǎn)化情況下都能兼容，設計為 void * 就顯得很有必要了。

實際上為了顯得更專業(yè)性，加上 const 修飾會是不錯的選擇，因為這可以保證緩存數(shù)據(jù)不被修改（事實上只能保證不被程序員修改，而不能保證程序本身，這個后面會解釋）。

長度，長度參數(shù)是一個很關(guān)鍵的參數(shù)，為了保證長度的準確性，建議使用sizeof 獲取。

有人覺得sizeof 好像一個函數(shù)，會不會導致效率低下啊，畢竟每次通信都要計算一次長度，那你就大特大錯了。事實上，只要你的類型定義定義好了（不管是內(nèi)置的類型定義還是自定義的結(jié)構(gòu)體、枚舉、聯(lián)合體），編譯器都能確定 sizeof 最終的數(shù)據(jù)長度，根本不存在計算過程。

用 sizeof 的兩個好處：

1、可以忽略字節(jié)對齊問題（不同平臺不能忽略，比如window和單片機通信）。因為編譯器為了數(shù)據(jù)讀寫效率更高，一般會對數(shù)據(jù)進行地址對齊，這樣一來手工計算一個數(shù)據(jù)類型的長度變得麻煩（當然你可以說使用某些手段讓數(shù)據(jù)不進行對齊，這個另說），而 sizeof 將智能且準確計算數(shù)據(jù)大小。

2、當你使用 sizeof 時，兼容性更強，也顯得更專業(yè)。程序修修改改很正常，一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)改來改去也很正常，特別是開發(fā)初期更是如此。但是不管你怎么改，只要在編譯器看來是固定長度的數(shù)據(jù)類型，那么 sizeof 就能在鏈接程序前計算出來；并且即使你后來加了數(shù)據(jù)不對齊的限制（加了這個限制后，很可能數(shù)據(jù)大小變?。材軠蚀_計算。別問為什么，就是這么任性。

所以為了減小出錯的可能性、減少勞動量，sizeof 是不錯的選擇。

當接收到數(shù)據(jù)地址和長度信息后，就可以進行發(fā)送了。

因為只有數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)，為了組成一幀完整的數(shù)據(jù)，就必須加入打包過程。加上數(shù)據(jù)幀頭、功能字、數(shù)據(jù)長度、校驗等數(shù)據(jù)。

當一幀數(shù)據(jù)打包好之后，就可以進行發(fā)送了，發(fā)送可以采用循環(huán)查詢發(fā)送，也可使用發(fā)送空TXE中斷，當然還是建議使用DMA發(fā)送，這樣你可以還沒等它發(fā)送完就可處理其它事情了。

以上就是發(fā)送過程，接收過程也是同理，根據(jù)功能字來調(diào)用相應的函數(shù)進行回復。

事實上，如果只是數(shù)據(jù)的傳輸過程，完全可以使用一個發(fā)送函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的特異性傳輸，這樣就可以減少一層數(shù)據(jù)傳遞，但是有些通信幀不只是數(shù)據(jù)的傳輸，可能在接收、發(fā)送時作一些其他處理（比如清除、設置某些標志位），所以需要再增加一層，用于進行差異性處理。

以上就是本篇內(nèi)容的基礎(chǔ)內(nèi)容了，你以為快完了？你錯了，現(xiàn)在只是剛開始而已，魚鷹寫本篇筆記的最終目的還在后面。

這只是前菜，正文才剛開始。

串口接收遇到的那些問題

以下內(nèi)容不會用太多的筆墨描述如何寫發(fā)送、接收函數(shù)，而是重點關(guān)注串口接收過程中可能遇到的一些問題，如果說描述到了發(fā)送、接收函數(shù)，別會錯意，順帶的。

以下大部分問題都是因為采用RXNE（接收不為空）中斷方式導致的問題，只有一個問題是魚鷹從前沒有考慮到，也是IDLE + DMA方式不可忽略的問題。

這就是為什么魚鷹建議采用IDLE + DMA 的原因，不僅是因為效率問題，更因為它能避免很多問題，當然水平足夠高的話，采用RXNE也是完全（“完全”就未必，里面有一個問題是RXNE方式難以避免的問題）沒有問題。

事實上，即使魚鷹采用RXNE方式接收數(shù)據(jù)，也能避免以下大部分的問題，因為魚鷹的基礎(chǔ)足夠扎實，會在一開始編寫代碼的時候自然而然避免一些問題的出現(xiàn)。

但是看完以下內(nèi)容后，相信各位道友寫出一個高效且健壯的串口接收程序根本不是問題，因為這就是所謂的經(jīng)驗啊。

傳入?yún)?shù)指針

前面魚鷹已經(jīng)提到了需要一個指針作為函數(shù)的參數(shù)，這里說說這個指針問題。

我們知道，為了維護方便，也是為了節(jié)省空間，一般都會將類似的功能整合成一個函數(shù)，比如串口經(jīng)常要用的發(fā)送、接收功能，但是所發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)存空間可能就處于五湖四海了，他們通過指針來指向?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)。

為了節(jié)省 RAM 空間或者其它不為人知的原因，傳遞給發(fā)送函數(shù)的指針就是實際發(fā)送數(shù)據(jù)的地址，并且在計算校驗值的時候也是直接使用這個地址進行校驗計算，然后采用循環(huán)查詢的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣一來，就不必拷貝一個數(shù)據(jù)的副本進行發(fā)送，而是直接從數(shù)據(jù)源的地址進行發(fā)送，節(jié)省了部分 RAM 空間。

但是這樣真的好嗎？

你是否考慮過在計算數(shù)據(jù)幀校驗值的時候，數(shù)據(jù)源改變了的問題呢？

比如說你采用和校驗，數(shù)據(jù)一開始是0x55，計算數(shù)據(jù)幀的校驗和值為tx_sum，然后被中斷程序或者DMA修改了這個數(shù)據(jù)源，變成了 0xAA，此時你再使用這個數(shù)據(jù)地址進行發(fā)送，接收端接收到了0xAA，接收端計算校驗和的時候是 rx_sum，那么rx_sum 必然不等于 tx_sum，然后接收端就認為該數(shù)據(jù)幀是錯誤的，然后丟失這幀數(shù)據(jù)，而這種情況是比較少見的，但確實是會偶爾出現(xiàn)接收錯誤的情況（當時發(fā)現(xiàn)這個問題時始終不得其解，明明我發(fā)送的是這個校驗值，為什么你計算的校驗值是另一個？開始懷疑是校驗函數(shù)的問題，但其他數(shù)據(jù)幀計算時沒有問題，只有一種數(shù)據(jù)幀會出現(xiàn)問題，然后魚鷹懷疑是數(shù)據(jù)源的問題，是的，魚鷹很快就懷疑數(shù)據(jù)源的問題，但當時驗證時，只改了校驗那部分地址，發(fā)送時的地址還是使用源地址，導致問題還是沒解決，過了好久之后才發(fā)現(xiàn)這個發(fā)送地址沒改，囧。所以說，即使你的思路是對的，但如果你解決時錯了，問題也很嚴重）。

如果說接收端（從機）具有重發(fā)機制，那么問題不是很大，丟失一幀數(shù)據(jù)而已，再重發(fā)就是，但事實是，一般串口設計成主從模式，主機會在沒有接收到從機的應答數(shù)據(jù)時會進行重發(fā)，但是從機一般不會主動重發(fā)數(shù)據(jù)的，它無法判斷主機是否成功接收，而從機一般會在成功發(fā)送完數(shù)據(jù)后開始清除一些標志位（比如鍵盤按鍵數(shù)據(jù)清空，不然主機下次獲取按鍵信息時還是同一個按鍵數(shù)據(jù)），事實上這個動作必須在對方成功接收才能進行（否則這次按鍵信息就丟失了），從這個角度來看，我們必須設計一個機制用于判斷主機是否成功接收。

I2C、CAN總線都有應答信號，但這是這些是總線自帶的特性，我們不可能在接收到一個字節(jié)后發(fā)送一個應答信號給主機，那么是否有其他辦法呢。

人們很容易想到的一個辦法就是在主機收到正確數(shù)據(jù)后，主動發(fā)送一幀專用數(shù)據(jù)幀用于清除這個標志（這個幀和普通幀一樣，所以可以確保主機數(shù)據(jù)能準確送達從機，因為如果超時沒有送達，會觸發(fā)重發(fā)機制）。這樣只要在獲取完這幀數(shù)據(jù)后，再額外的發(fā)送一幀數(shù)據(jù)用于對方確認即可，從機接收到后，即可開始著手清除一些標志位。

但這樣會有一個問題，因為這種特殊的需要從機確認的數(shù)據(jù)包（其他類型數(shù)據(jù)不需要確認是因為如果主機沒有正確收到數(shù)據(jù)還可以繼續(xù)獲取，獲取的數(shù)據(jù)是一樣并沒有關(guān)系，但這種需要從機確認，一旦從機認為發(fā)送成功了，數(shù)據(jù)就被清除了這種情況就需要確認，典型的就是按鍵信息了），我們需要額外處理并占用發(fā)送帶寬。這是魚鷹不愿忍受的。

那么是否有更好的辦法？

或許我們可以從 USB 協(xié)議中獲得啟發(fā)（這是在寫這篇筆記的時候想到的，當時寫按鍵板代碼的時候沒有想到過，但因為當時測試時傳輸成功率100%，所以就放棄處理這種情況了）。

USB協(xié)議是典型的主從機制，主機不主動獲取數(shù)據(jù)，從機是無法主動發(fā)送數(shù)據(jù)的。那么從機是如何確定對方成功接收數(shù)據(jù)了呢？

一個bit的翻轉(zhuǎn)位。

每當主機成功發(fā)送一幀數(shù)據(jù)后再發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)時，就會翻轉(zhuǎn)這個位，從機就可以根據(jù)這個位判斷主機是屬于重發(fā)數(shù)據(jù)（重發(fā)數(shù)據(jù)表示主機接收失敗了）還是新數(shù)據(jù)了，這樣從機就能從下一幀數(shù)據(jù)確定上一幀數(shù)據(jù)是否成功發(fā)送了。

而主機發(fā)送的數(shù)據(jù)是由從機發(fā)送應答包確定的，和上面的串口協(xié)議類似，所以這個方向的數(shù)據(jù)是沒有問題的。

那么我們該如何重新設計這個協(xié)議呢？可以盡可能的不改變原來協(xié)議的情況下實現(xiàn)嗎？

或許可以從功能字出發(fā)。

為了保證對功能字的原有定義保持基本不變，使用最高 bit 作為這個特殊的位，這個 bit 開始是 0，之后主機每接收一個從機應答數(shù)據(jù)就進行翻轉(zhuǎn)，如果因為沒有接收到從機的應答數(shù)據(jù)，就會使用相同的翻轉(zhuǎn)位重復發(fā)送；而從機也根據(jù)這個bit來確定自己的上一幀數(shù)據(jù)對方是否接收（對比上一幀數(shù)據(jù)的翻轉(zhuǎn)位），如果主機沒有成功接收，就不清除標志位（之后主機會重發(fā)數(shù)據(jù)再次獲取），否則清除標志位，。

因為是魚鷹剛想到的，就不多說了，僅提供一個思路。

現(xiàn)在回到指針那塊的問題。

現(xiàn)在已經(jīng)知道，如果你在計算校驗和與發(fā)送的過程中出現(xiàn)源數(shù)據(jù)改變的情況，就會導致數(shù)據(jù)幀校驗失敗，那么有什么解決辦法？

如果說你堅持使用查詢方式發(fā)送來節(jié)省部分空間，那么只要在計算校驗值之前拷貝一份源數(shù)據(jù)，然后用這份數(shù)據(jù)計算并發(fā)送即可。

另一種方法就是，直接把整幀數(shù)據(jù)拷貝到一個數(shù)據(jù)緩存中，使用DMA發(fā)送。

現(xiàn)在還有一個問題，那就是如果我想發(fā)送一個數(shù)據(jù)域為空的數(shù)據(jù)該怎么發(fā)送？

一般來說，在使用指針的時候，不會使用 NULL 空指針，但是在數(shù)據(jù)為空的情況下，就需要使用 NULL 指針了，并長度設置為 0，這個時候在檢查指針的時候，不能看到空指針就退出函數(shù)，還要判斷長度信息，當長度為0時在打包時就不拷貝源數(shù)據(jù)，但最終還是要發(fā)送數(shù)據(jù)幀的（當時別人寫的代碼將指針和長度判斷同時放到了 for 循環(huán)的條件里面，魚鷹覺得效率太低，導致修改代碼是沒考慮指針為空的情況，所以導致了一個小bug）。

互斥鎖釋放順序

現(xiàn)在考慮第二個問題：互斥鎖釋放順序問題。

如果沒有采用隊列方式接收數(shù)據(jù)，而是主機發(fā)送完成后等待接收從機數(shù)據(jù)后再發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，那么該如何處理互斥鎖的問題？

我們知道為了保證數(shù)據(jù)的同步，保證在接收到一幀數(shù)據(jù)進行處理時，不能被新的數(shù)據(jù)幀沖掉，這時就要加入一個互斥鎖，表示我正在處理數(shù)據(jù)，下面的數(shù)據(jù)我接收不了，這樣就能保證你正在處理的數(shù)據(jù)不會被新來的數(shù)據(jù)修改掉，從而進行正確的處理。

那么這個標志位（互斥鎖）該什么時候清掉（釋放掉）呢？

一般來說標志位，一般越早清掉越好，比如外部中斷標志位，進入中斷后，一般首先會清理標志位，這樣即使你正在處理本次中斷的程序，那么即使這時再來了中斷，也不會丟失中斷信息（有懸起標志位），這樣就可以在處理完這次中斷后，立馬進行下一次中斷的處理了（前提是優(yōu)先級足夠高）。

但是如果你清理太早或者清理太晚會怎樣？

比如說你在接收到一幀數(shù)據(jù)后（數(shù)據(jù)幀所有檢查完成），開始設置標志位，當主程序查詢到這個標志時（一般數(shù)據(jù)處理不會放在中斷中），如果馬上開始清除這個標志……嗯，一般來說不會有問題。

那么什么時候會出現(xiàn)問題？當你的主程序查詢到這這個標志時開始清除標志，然后處理、返回數(shù)據(jù)給主機，如果此時主機超時重發(fā)數(shù)據(jù)時，，因為這個時候你雖然在處理數(shù)據(jù)，但是因為你的標志位已經(jīng)被清除了，所以接收程序就會開始往接收緩存區(qū)存數(shù)據(jù)了，當你存完之后再回到數(shù)據(jù)處理那里，你的緩存區(qū)可能就不是你想要的數(shù)據(jù)了。

可能你會說，既然是重發(fā)，那么數(shù)據(jù)應該是相同的吧？好吧，你贏了，魚鷹編不下去了，這種情況（有重發(fā)機制）下清理太早好像是不會出現(xiàn)問題，但你怎么知道對方是采用副本進行重發(fā)數(shù)據(jù)的呢，如果重發(fā)時它又從源數(shù)據(jù)中拷貝后再進行重發(fā)會出現(xiàn)什么問題？比如時間信息，開始第一幀數(shù)據(jù)是11:59，CPU剛把11拷貝到用戶空間，被串口中斷程序打斷，導致下一幀接收的數(shù)據(jù)是12:00，此時回到主程序繼續(xù)拷貝，拷貝00，數(shù)據(jù)的完整性被破壞，這樣導致的結(jié)果就是11：00，而實際上時間是12:00，這就是你打斷數(shù)據(jù)處理過程的后果。

現(xiàn)在再說說清理太晚會怎么樣。

當你的主程序查詢到這個標志后，暫時不清除，而是等到從機發(fā)送完應答數(shù)據(jù)之后再清除標志，此時因為從機采用查詢方式（查詢方式表明從機發(fā)送完最后一個字節(jié)后后開始清除標志位，也就代表了主機就差最后一個字節(jié)沒有接收了，這樣發(fā)送和清除之間間隔時間較短，而采用 DMA 方式的話，發(fā)送和清除的間隔時間更短，因為可能DMA還沒開始發(fā)送第一幀數(shù)據(jù)，清除工作就已經(jīng)完成了），或者因為其他原因（比如中斷處理）導致發(fā)送和清除之間的時間很長這種特殊情況，這樣可能主機已經(jīng)開始下發(fā)下一幀數(shù)據(jù)了，但是因為此時標志還沒有清除，不能接收數(shù)據(jù)，所以主機這一幀數(shù)據(jù)就這樣丟失了。

那么這個清除標志位最合適的時機是什么時候？

你鎖定資源利用完的時候。

現(xiàn)在來看看，這個互斥鎖鎖定的是什么資源？對，就是接收緩存，那么接收緩存什么時候用完？當然是在數(shù)據(jù)處理完成之時。也就是說在數(shù)據(jù)處理完之前、發(fā)送數(shù)據(jù)之前清除最合適。

這樣就不會因為處理其他事情而導致清除操作過晚而丟失下一幀數(shù)據(jù)了，因為此時主機還沒收到從機上傳的數(shù)據(jù)，也就不會馬上開始下一幀數(shù)據(jù)的傳輸了。

說到清除，你覺得，需要把整個緩沖區(qū)進行清零操作嗎？這個問題在以往的文章解釋過，就看你是否看完了。

數(shù)據(jù)幀檢查

你是否會對接收的數(shù)據(jù)進行檢查？如果不進行檢查會發(fā)生什么？

我們知道一幀數(shù)據(jù)中，每個部分都有各自的含義，甚至有些部分可能在某些數(shù)據(jù)幀中不存在，比如數(shù)據(jù)域部分，我們需要根據(jù)長度信息來判斷數(shù)據(jù)域部分是否存在。

但是你能保證你所接收的數(shù)據(jù)都是準確的嗎？你能確保在工作環(huán)境下不會因為各種干擾導致數(shù)據(jù)長度信息由0x05變成0x85（最高位翻轉(zhuǎn)）嗎？，如果出現(xiàn)了會導致什么后果？

假設你采用RXNE中斷方式來一個、一個字節(jié)的接收數(shù)據(jù)，分析如下：

因為是單字節(jié)接收數(shù)據(jù)，所以你需要把所有接收的數(shù)據(jù)當成數(shù)據(jù)流，根據(jù)幀頭信息來確定幀的開始，一旦確定幀頭信息之后，你就可以根據(jù)接下來的一系列數(shù)據(jù)保證一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束，同時開始新幀的接收……

初看這個接收流程沒有問題，但是真的如此嗎？

但是就像前面所說，你能保證你的數(shù)據(jù)沒有問題嗎？如果說你接收到一個長度信息，本來是0x05，但是最終接收的數(shù)據(jù)是0x85，這就意味著你接下來的數(shù)據(jù)域的長度是0x85，根據(jù)你的接收流程，你需要再接收0x85個字節(jié)之后，才能判斷校驗字節(jié)是否正確。

可能你會說，雖然你的長度信息由0x05變成了0x85，之后接收校驗過程肯定是失敗的，那么這幀數(shù)據(jù)就會被接收程序丟棄，從而導致接收程序進入重新尋找?guī)^的流程，這個過程不是挺正常的嗎？按理說上述異常情況是能被接收流程處理掉的。

那么首先確認一點，上述異常能被接收流程處理嗎？

答案是能！

既然上述異常是能被接收狀態(tài)機處理的，那么還會有什么問題？

問題就出在這個錯誤數(shù)據(jù)本身！

因為你是根據(jù)錯誤數(shù)據(jù)來決定接下來需要接收多少數(shù)據(jù)，而一般來說，接收緩存大小設置為最大幀的長度，那么就出現(xiàn)一個問題，你的緩存夠你接收0x85個字節(jié)嗎？

如果說你開辟的接收緩存空間很大，足夠接收這么多數(shù)據(jù)，那么就算遇上以上情況，也是沒有任何問題，但是萬一你比較節(jié)省資源，緩存不夠大會出現(xiàn)什么情況？

這就涉及到內(nèi)存分配問題：

你的串口緩存一般在 Data區(qū)域，一旦你接收的數(shù)據(jù)超出了你開辟的空間，那么必然導致緩存空間溢出！

那么緩存空間溢出會導致什么危害？

我們通過上圖可以知道，一旦緩存溢出，必然導致該緩存周圍的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常（數(shù)據(jù)被篡改），如果你的其它代碼剛好需要這個數(shù)據(jù)作為重要參考，而你在使用的時候又沒有對這個數(shù)據(jù)的有效性進行檢查，那么可能導致另一個災難性后果，而這個后果又導致了其他后果，從而導致雪崩效應。

而你修復這個bug時，你以為修復了，但你只修復了表面，真正內(nèi)在bug還存在！

所以，千萬別太相信內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，每一個數(shù)據(jù)的輸入都要進行嚴格檢查，這個數(shù)據(jù)可以錯誤，但是不能導致程序崩潰！

所以千萬別寫能篡改別人數(shù)據(jù)的代碼，這是很危險的事情，也是很難解決的bug，因為你不知道它會在什么時候篡改哪里的數(shù)據(jù)！

再假如你的接收緩存放在棧中了呢（稍微有C語言常識的程序員都不會把串口接收緩存放在棧中，但魚鷹偏偏遇到過這種代碼，而為了解決這個bug整整花了一星期，這還是在bug復現(xiàn)率高的情況下）？

根據(jù)前面的圖可知，棧一般存放在高地址，并且一般棧生長方向為向低地址生長。如果出現(xiàn)上述情況（接收的數(shù)據(jù)大于開辟的棧緩存空間）會發(fā)生什么？

棧幀被破壞！

灰色部分因為接收的數(shù)據(jù)太多，導致原本存在的棧數(shù)據(jù)被串口的接收的數(shù)據(jù)修改了（注意篡改的數(shù)據(jù)可能不是連續(xù)的，因為每一次進入時，開辟的那部分棧空間可能都不在同一個地址），假如這個數(shù)據(jù)是保存返回寄存器LR的，那么必然導致返回錯誤，極可能觸發(fā)HardFault中斷！

那么有什么辦法解決棧被破壞的問題？

最有效的方式魚鷹覺得是使用ITM，如果無法在線調(diào)試，可以嘗試DMA循環(huán)傳輸PC指針值（但是如何得到這個值？畢竟這個寄存器本身是沒有地址概念的）到一塊內(nèi)存中，這樣就可以得到最后正常執(zhí)行的代碼地址，從而定位錯誤代碼的位置。

如果單片機不支持這些功能呢？魚鷹現(xiàn)有的知識體系好像無法解決，只能佛系調(diào)bug了（看和bug之間的緣分），囧。

前面說了由于外部工作環(huán)境導致數(shù)據(jù)長度信息錯誤從而出現(xiàn)數(shù)組溢出這種情況，如果說你保證工作環(huán)境非常好，不可能出現(xiàn)這種干擾，是否還會出現(xiàn)問題？

當然會！

前面分析了外在原因，現(xiàn)在分析內(nèi)在原因，你的接收程序能保證及時接收發(fā)送端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)嗎？如果不及時接收數(shù)據(jù)會出現(xiàn)什么問題？

我們知道，一個系統(tǒng)一般都有很多中斷需要處理，如果說你的接收程序的中斷優(yōu)先級不是最高的，那么很可能出現(xiàn)接收程序無法及時接收的情況，即RXNE中斷來臨時，因更高優(yōu)先級中斷需要處理，而且處理時間較長，那么就會出現(xiàn)當前接收的字節(jié)因為沒有接收完成而被后續(xù)的數(shù)據(jù)沖掉，即出現(xiàn)ORE（溢出錯誤）。

這樣會導致什么問題？

數(shù)據(jù)域信息（也可能是校驗值等數(shù)據(jù)）當成了長度信息（為什么只討論長度，而不討論功能字之類的數(shù)據(jù)，難道他們不會出現(xiàn)ORE的情況嗎？），這樣一來，如果這個數(shù)據(jù)很大，接收程序就會以為接下來還需要接收很多數(shù)據(jù)才能完成一幀的接收，導致后果和前面分析的數(shù)據(jù)干擾一樣嚴重。

那么采用RXNE接收方式時該怎么解決這種問題？

檢查長度信息的合理性，只要長度信息不會導致緩存溢出即可。

但是上面的解決方案會導致什么問題？

因為你的程序設計問題（采用RXNE接收導致不能及時處理），使得原本能接收的數(shù)據(jù)無法及時處理（DMA可以及時處理），最終使得當前這一幀數(shù)據(jù)無法正常接收（如果錯誤的長度信息夠大的話，還有可能接下來很多幀數(shù)據(jù)都無法接收），這你能接受嗎？

但是采用DMA為什么就不會有上述問題，除了DMA能自動接收數(shù)據(jù)提高效率之外，還有一點就是它不根據(jù)接收的數(shù)據(jù)來判斷接下來還需要接收多少數(shù)據(jù)，而是根據(jù)設定的接收數(shù)據(jù)長度來接收的（如果加入IDLE中斷，可以提前結(jié)束接收工作），這就避免了上述的緩存溢出和接收不及時問題。

最后再分析上述接收的另一個問題，那就是一幀數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)沒有數(shù)據(jù)域的情況，這種情況該怎么處理？

只要根據(jù)長度信息分開處理即可。如果不對沒有數(shù)據(jù)域的情況分開處理，那么你接收的下一個數(shù)據(jù)直接就是校驗值，而你的接收流程卻認為這是數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)，必然導致校驗失敗。

現(xiàn)在總結(jié)使用RXNE方式接收的幾個問題：

1、緩存溢出。

緩存溢出有兩種可能，第一種就是環(huán)境干擾導致長度信息出錯，從而出現(xiàn)緩存溢出情況；第二種情況就是因為接收不及時，導致數(shù)據(jù)錯位，如果剛好是長度信息錯誤，并且這個長度信息太大，而你的代碼未對長度進行檢查，那么也會出現(xiàn)緩存溢出bug，而這種bug一旦出現(xiàn)，很難發(fā)現(xiàn)。所以在代碼中對數(shù)據(jù)的合理性檢查是非常有必要的一件事。

2、中斷及時處理。

如果中斷不及時處理，會導致數(shù)據(jù)錯位，輕則丟失至少一幀數(shù)據(jù)，重則緩存溢出！

3、狀態(tài)機是否需要接收數(shù)據(jù)部分。

由于數(shù)據(jù)幀有可能沒有數(shù)據(jù)域的情況，所以必須區(qū)別處理，保證代碼接收的準確性，否則有可能把校驗值當成數(shù)據(jù)了，這樣必然無法通過校驗，這一幀數(shù)據(jù)必然會丟失！

串口空閑

前面一直提到串口空閑，也大概明白串口的作用，但是一些細節(jié)問題還是需要好好說一下的。

第一個問題，如何清除串口空閑中斷標志位？

很多人會使用USART_ClearFlag標準庫函數(shù)進行清除，但是當你跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)原型時，你會看到如下說明：

你會看到很多標志位是無法通過該函數(shù)清除的。

那么該如何清除IDLE標志呢？其實上面的注釋已經(jīng)進行了說明。

PE、FE、NE、ORE、IDLE標志位的清除是通過一個軟件序列進行清除的：首先通過USART_GetFlagStatus讀取USART_SR寄存器的值，然后通過USART_ReceiveData函數(shù)讀取USART_DR的值即可。

那么這里就有一個問題，是否這些標志問題的清除都要單獨編寫清除序列呢？

答案是否定的。

因為這些標志位都是由同一種序列進行清除的，所以只要一個清除序列就會把所有的標志位都進行清除了（同樣一旦執(zhí)行了這個序列，也就意味著你無法再通過USART_SR寄存器獲得標志位了）。

為了保證獲取標志位，我們可以在清除序列之前把USART_SR寄存器的值保存到副本中，然后再讀取USART_DR寄存器的值保存到副本來實現(xiàn)清除功能，注意該序列應該無條件執(zhí)行（不在某個判斷語句中）。這樣后續(xù)我們就可以使用這個 USART_SR 的副本判斷哪一個標志置位了，同樣也可以使用 USART_DR 的副本獲取串口數(shù)據(jù)，而為了實現(xiàn)以上效果，USART_GetFlagStatus這個函數(shù)就不合適了，只能直接操作寄存器去實現(xiàn)。

第二個問題，在線調(diào)試時對空閑中斷會有影響嗎？

我們知道，KEIL能夠?qū)⒁粋€結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)全部讀取出來，而庫函數(shù)將串口模塊的所有寄存器都封裝在一個結(jié)構(gòu)體中，這樣就會出現(xiàn)一個問題，如果你的窗口是實時刷新的，當你使用KEIL讀取串口模塊寄存器的時候（不管是使用peripheral窗口還是Watch窗口），就會出現(xiàn)先讀取SR再讀取DR的情況， 這樣就有可能出現(xiàn)KEIL和單片機CPU讀取這兩個寄存器沖突的情況。

如果全速運行時，KEIL 先執(zhí)行了這個序列（通過調(diào)試器讀取這兩個寄存器的值），單片機CPU再讀取SR寄存值，必然是無法讀取到正確標志位的，因為這些標志位已經(jīng)被KEIL的讀取序列清除了（這個情況魚鷹確實碰到過，當時明明下發(fā)了數(shù)據(jù)，但是單片機無法獲取標志位），所以在調(diào)試串口時，注意不要讓 KEIL 去讀取這些寄存器（即關(guān)閉這些窗口，只有在必須的情況下才開啟），防止出現(xiàn)莫名其妙的情況。

第三個問題，空閑中斷能準確觸發(fā)嗎？

如果從接收端考慮的話，如果觸發(fā)了空閑中斷，那么必然滿足了條件才觸發(fā)的，而不是意外觸發(fā)的（嗯，我們要相信STM32），但從發(fā)送端考慮的話，有可能出現(xiàn)一幀數(shù)據(jù)斷續(xù)發(fā)送，導致一幀數(shù)據(jù)觸發(fā)多次空閑中斷，所以如果是簡單的DMA+空閑中斷方式接收是很有問題的（空閑出現(xiàn)就認為一幀結(jié)束了，就會把一幀數(shù)據(jù)當成兩幀處理，這樣肯定無法通過數(shù)據(jù)檢查的）。

那么先來分析為什么會出現(xiàn)一幀數(shù)據(jù)多次觸發(fā)空閑中斷情況。我們知道linux、windows系統(tǒng)并不是實時系統(tǒng)，當應用程序需要發(fā)送一幀數(shù)據(jù)時，可能并沒有連續(xù)發(fā)送，而是發(fā)送完一個字節(jié)后去處理其他事情后才發(fā)送下一個字節(jié)，這樣一來，如果耽誤的時間夠長，就會觸發(fā)串口的空閑中斷，從而一幀數(shù)據(jù)當成兩幀處理了。

那有什么方法可以解決呢？魚鷹提供兩種解決思路。

第一種，使用兩個緩存空間，一個緩存空間專門用于接收串口數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)存放到另一個緩存，這個緩存采用字節(jié)隊列的方式進行管理，應用程序從緩存隊列中一個字節(jié)一個字節(jié)的取出數(shù)據(jù)進行處理（注意檢查數(shù)據(jù)有效性），這樣就能保證及時處理。但是因為空閑中斷不再可靠，所以空閑中斷不再作為判斷一幀數(shù)據(jù)結(jié)束的依據(jù)（根據(jù)長度信息判斷），而是只在空閑中斷中將已接收數(shù)據(jù)復制到字節(jié)隊列緩存中，這樣就可以處理意外的空閑中斷。

第二種，還是一個緩存空間，還是DMA+空閑方式處理，但是需要增加額外的條件。就是當進入空閑中斷后，不再直接處理，而是獲取當前接收時刻，然后在處理數(shù)據(jù)的時候根據(jù)這個時刻來判斷是否達到足夠的空閑時間，只有在進入空閑中斷后并達到一定延時之后才認為一幀數(shù)據(jù)結(jié)束了，這樣可以避免一些非常短的空閑時間（魚鷹公眾號提供過的代碼使用這種方式）。

以上問題是就是魚鷹以前使用空閑中斷從未考慮的問題，魚鷹并不知道使用空閑中斷還可能出現(xiàn)誤觸發(fā)的情況，但是既然知道了，就要想辦法解決。但是為什么以前使用空閑中斷時沒有出現(xiàn)通信問題呢？

事實上不是沒有問題，而是有可能把分散的一幀數(shù)據(jù)的兩部分直接丟棄了而已，因為有重發(fā)機制，所以即使丟棄一幀數(shù)據(jù)，也能通信正常，而且這種一幀數(shù)據(jù)分散成兩部分的概率還是挺低的，ubuntu（linux系統(tǒng)）下大概千分之三左右的樣子。

第四個問題，如果單片機沒有空閑中斷又該如何做？

當我們使用 RXNE 的同時其實我們也可以使用空閑中斷，這樣也能確定一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束（但是要注意前面的誤觸發(fā)問題）。但是如果有些低端單片機（如 51 ）沒有空閑中斷又該怎么辦？

其實我們可以從 stm32 的空閑中斷得到相應的啟發(fā)。

所謂空閑中斷，就是當串口接收到數(shù)據(jù)后，在應該接收數(shù)據(jù)的時刻，發(fā)送方并沒有發(fā)送數(shù)據(jù)，所以串口模塊置位空閑標志位，從而引起空閑中斷。

那么我們是否可以軟件模擬串口模塊的這個功能，從而確定一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束呢？

答案是肯定的（前提是每一幀數(shù)據(jù)之間有空閑時間）。

我們可以使用一個定時器，定時器向上計數(shù)。當接收到一個字節(jié)數(shù)據(jù)后，初始化計數(shù)器并啟動定時器，這樣一旦有一段時間沒有接收到串口數(shù)據(jù)（也就不再初始化計數(shù)器），那么定時器溢出，進入溢出中斷，而這個溢出中斷就類似于串口的空閑中斷（在溢出中斷中關(guān)閉定時器以達到清除空閑中斷標志的作用），這樣就達到了串口空閑中斷的效果（和前面問題的第二種解決方案類似）。

通信吞吐量

在以上分析過程中，都是采用主機發(fā)送，從機接收后再回復主機的方式進行通信，雖然通信正常，但實際上效率比較低下，單位時間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，如下圖所示：

紅色部分就是必要的空閑時間，可以看到左右兩張圖的通信頻率是有差異的，右圖中從機必須等待前一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢才能處理數(shù)據(jù)，而左圖可以在接收當前幀時處理上一幀數(shù)據(jù)，類似CPU的指令執(zhí)行流水線。
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