串口接收的各种方法

串口接收的各种方法

0. ISO应用层协议设计

0.1 帧头帧尾标志法

• 通过帧头帧尾来标志数据包的开头和结尾
  
• 注意：标志应避免和数据包中的数据重复
  
• 如果数据包出现标志符应该进行转义处理
  

0.2 长度字段法

• 在数据包中添加一个字节或多个字节的长度字段，来明确字段长度
  
• 长度字段的长度和编码应该提前约定好
  
• 考虑字节序的大端小端问题，以保证多字段的正确读取
  

0.3超时等待法

• 设置一个超时等待时间，超过时间没有接收到新的数据则认为数据接收完成
  
• 要考虑数据包的最大长度和串口的传输速率
  
• 数据包在传输时出现错误或丢失数据，可能会导致超时判断错误，所以需要考虑数据的可靠性
  

1. 串口单字节接收

• 适用于无中断接收场景: 例如 jetson nano 2GB只有内核虚拟串口，无法做到硬中断
  
• 性能分析: 全程由CPU参与，读取速度受限于CPU处理速度，很难接收大数据帧/包
  

2. 串口中断接收

• 适用于响应要求高的场景: 例如 机械臂运动，遥控器，可能除去帧头帧尾外只有几个字节，甚至单个字节就能作为有效命令，并且要求有高实时性，能够快速响应
  
• 性能分析: 全程由CPU参与，每次中断由CPU搬运数据，数据吞吐量较小，多个串口出现大量数据涌入，中断处理不当，可能会导致MCU卡死，同时大量的中断也会打乱系统时钟，导致IIC软件模拟等软件模拟时序出现延长，导致通信错误
  

3. 串口+DMA接收

3.0 DMA模式

​        通常DMA有单次传输(normal), 循环传输(circular)
​        同时使用串口结合DMA时一般会有三次中断的产生, 半满中断, 全满中断, 空闲中断(IDLE)

• 空闲中断是怎么实现的?
  当串口的RX进入空闲状态时, RX线为高电平, 所以当RX线出现上升沿, 并在一定时间内保持高电平, 就会触发空闲中断
  
• 为什么需要使用空闲中断?
  一般来说, 一帧数据发送总是一个接着一个发送来的，所以当我们出现空闲中断时，缓冲区很有可能接收到了一帧完整的数据
  fifo, brust等模式不在这一篇博客中讨论
  

3.1 DMA单缓冲区(缓冲区size == 数据帧size)

• 适用于数据量大, 但传输频率低(每帧)的场景: 例如: 结合MQTT, TCP协议的数据包, 这种数据包一般比较大, 但是相较于机械臂等场景要求对于实时性的要求相对低
  
• 性能分析: 每个数据包来临一般只会触发3次中断，相较于不使用DMA的中断模式, 中断出现更少, 并且数据由DMA搬运, CPU仅做启动DMA等操作
  缺点: 当帧处理数据速度 小于 帧传输速度, 很有可能会出现这次DMA中断结束, DMA还没启动, 又来一帧/包数据, 导致数据丢失，或在帧处理过程中，又来一帧/包数据, 导致数据被覆盖
  

3.2 DMA双缓冲区+空闲中断(缓冲区size == 数据帧size*2)

• 适用于数据量大场景, 单缓冲区的改进: 例子: 同DMA单缓冲区
  
• 性能分析: 相较于DMA单缓冲区模式, 多了一个缓冲区, 可以将数据解析任务放在中断外执行, 大大减少了中断时间, 中断中可以及时配置DMA启动, 有了更大的数据吞吐量, 同时双缓冲区既可以是一段连续地址(半满,全满中断实现), 也可以是两段连续地址，有些MCU甚至支持硬件双缓冲区(例如STM32F4系列)
  缺点: 相较于DMA单缓冲区模式, 花费了更多的空间(但是也获得了更好的性能和数据安全)
  

3.3 DMA环形缓冲区+空闲中断(一般缓冲区size >= 数据帧size*2)

• 适用于数据量大场景, 支持不定长数据: 例子: 同DMA单缓冲区, 但是对于不定长数据接收的设计更加简单
  
• 性能分析: 相较于DMA双缓冲区模式, 需要一大段连续的内存空间, 但是对于不定长数据, 我们只需要通过两个指针(读写指针管理), 具体管理环形实现和管理可以参考 环形队列 , 并且和双缓冲模式一样, 可以将数据处理任务放在中断外处理, 有更大的数据吞吐量
  缺点: 相较于DMA单缓冲区模式, 需要一大段连续内存空间
  

单中断和DMA+空闲中断应该怎么选择?

​        当你的数据小于三个byte时, 使用DMA+空闲中断得不偿失, 因为这样通用会出现三次中断, DMA中断中的固定操作往往比单中断更复杂, 剩余根据自己的系统实时性, 数据帧/包发送频率, 来权衡使用那种方法更好
4. 数据帧设计和解析

4.1 数据帧设计

​        设数据帧结构为 0xaa, data1, data2, crc-8校验码, 0xee
​        即帧头, 数据帧, 校验码, 帧尾
​        当数据内容复杂到一定程度可能还需要考虑碰撞问题,  转义字符
4.2 数据帧解析(状态机模式)

使用状态机法对数据帧进行解析
状态机

• 设计状态转移图
  
• 根据状态转移图实现状态跳转
  

• 每个状态都要 有进有出 , 否则会出现在某一状态卡死
  
• 主要设计状态机解析函数时, 部分变量的生命周期
  

4.3 异地解析和原地解析

原地解析: 在接收的缓冲区对数据帧/包进行解析

优点: 无需二次拷贝, 解析数据快
缺点: 在接受缓冲区中, 数据来不及处理可能会被覆盖
异地解析: 需要解析数据帧/包的时候, 再从接收缓冲区拷贝数据到解析缓冲区中

优点: 数据不会被覆盖, 大大提升了解析的稳定性
缺点: 需要二次拷贝(RTOS中三次), 需要额外的时间和空间开销
5.中断处理，生产者任务，消费者任务

有RTOS的情况下, 我们会将串口的接收与解析拆分为三个子程序: 中断处理, 生产者线程(接收), 消费者线程(解析)

• 为什么要将这一个动作拆分成三个线程来实现？这样不是多此一举增加调度开销么？
  

• 中断程序必须快进快出
  
• 生产者线程和消费者线程处理消耗的时间差距较大，一般情况下生产者线程消耗少(取值)，消费者线程消耗多(取值，解码，执行)
  

中断处理(最高)

​        中断中将读取到的数据存入缓冲区，唤醒生产者线程
生产者线程(靠近中断, 次高)

​        当生产者线程满时，   通知消费者线程对消费者线程对数据进行消费
​        当生产者线程未满时，使能相关硬件执行生产(一般为adc或串口的DMA中断)
消费者线程(最低, 执行依赖优先级翻转)

​        被唤醒后，检查缓冲区是否满，若满，则挟持互斥锁，将自身优先级提升到生产者线程之上，在消费(解码，执行)结束后，释放互斥锁，并通知生产者线程已消费结束，可继续执行生产
优先级

优先级：高-->低
中断-->生产者线程-->消费者线程

• 为什么优先级要这样设置
  生产者线程属于靠近中断的线程，为了系统的实时性我们会将优先级设置相对较高
  
• 消费者线程优先级低于生产者线程会不会导致饿死?
  消费者线程由生产者线程唤醒，并通过互斥锁的特性，将消费者线程的优先级临时提高到高于消费者线程，这样就避免了饿死，也方便管理线程的优先级
  

任务功能设计图

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