通用串口通讯程序设计

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（状态机也就这个原理。状态机多了 PUSH\POP 栈流程。）
设计功能码，必须考虑兼容性和扩展性，对数据帧的功能进行划分，坚决杜绝想到一个算一 个，功能码也不能随意/随便/随心的安排，否则在以后增加数据帧的时候会很麻烦。
功能码长度：1 个字节（取值范围：0‐255） 一般 256 种功能分类够用；不够就扩展到两个字节。 编码规则（建议）： 高四位二进制作为父类编码，低四位二进制父类中子类。这样就可以将系统数据通信帧 分为 16 个大类，每个大类下有 16 个可用的具体类，当你增加功能码的时候，就可以根据 你的设计来确定属于哪个大类了，然后再插入进去。这样在管理、维护这些通信数据时你会 发现很方便。 这个编码规范在 ARM 内核的中断系统和设计 uCOS II 任务优先级的时候都有使用到， 在设计项目的通信协议的时候就是运用了这些思想。
校验码 一帧数据在传输过程可能会被干扰，使得接收端获取的数据是错误的。为保证一帧数据的准 确性和完整性，就引入了校验功能，好的校验可以逆向还原一帧数据中的错误数据。 （密钥不在这里讨论！）
校验有很多方式，累加和校验、CRC 校验等。
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（奇偶校验只针对 1 个字节校验，一般不做 2 字节以上数据帧校验）。
数据域长度 数据域长度信息是非常关键的数据。（当然，也有特殊类型通讯协议/规约不需要.） 数据域长度字段的值限定/定义数据域的字节个数信息。详见“表（1）、表（2）、表（3）”
帧格式数据域长度与数据域关系划分。
案例之一： 接收程序流程刚好将帧头、功能码/判断完毕，然后中断程序莫名原因（非法指令）引
这种校验方式占用单片机的运算资源量较大，目前有些单片机嵌入了硬件 CRC 模块（如 stm32 单片机）。
校验是通讯规约约定检验字节起点和结束位置。 建议：从帧头开始到数据域最后一个字节。也可以只检验数据域，这只是区别在单片机运算 量问题。建议从帧头开始校验，能保证整个帧数据的准确性。
帧尾 前面说了，帧尾在空闲中断中可以不用，RXNE 中断接收时其实也可以不用，当然也可以加 上，好处就是当你用串口助手查看数据流时，可以观察出一帧数据是否发送完整了。
累加和校验算法简单，单片机的运算资源占用量小，累加最后只取最低字节就行，不是高字 节（至于原因后续再单独聊）。保存累加和的变量使用 1 个字节，简单好用。
CRC 校验，算法比较复杂。CAC 是对帧数据中每个字节的每二进制位（BIT）进行校验，具 有很高纠错率，只要数据帧中有一个数据的 1 个二进制位发生变化，都能检查出错误。
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1.2 接收程序编写考虑因素
数据“功能码”指针 数据包指针 FIFO 缓存读/写指针的互斥锁释放顺序 数据帧检查/校验 串口空闲 缓存数据帧存放时间/生命周期，超时识别 通讯数据吞吐量，（帧间隔时间，保证单片机有充分时间处理其他事情。）
帧头 只要保证帧头字节数据内容，在所有通讯数据字节流中，除帧头有意为之而出现，那就
确保及时接收数据： ① 采用 DMA 模式（单片机若有）； ② 设定串口通讯为最高有效优先级中断； ③ 接收程序在读取 BUF 数据时进可能先读取到临时/中转寄存器中，再做数据识别。
数据域 整个帧需要的最有用的数据。 接收/发送函数能处理各种类型的数据，建议参数类型定义成 void *DataPtr 是不错的选择。
通用串口通讯程序设计
作者：和光同尘 版本：V1.0
序
做硬件开发近 20 载，花了近十年做基础开发，对硬件开发略知一二，接触的做国防/ 工业大项目的人才我就是和他们沟通中获取了很多思想；人生已过而立之年，不惑解疑，总 想写点什么。从一线研发（做了 4 年），开发（3 年），硬件开发主管（12 年），算起来人生 从不到弱冠之年（中专毕业）开始接触 MCS51、AVR 等 8 位处理器到 ARM v7 核、CoretxM 核的 32 位处理器，CPLD/FPGA、PLC…………啰嗦了！！ 最近因为工作原因需要把一些自己感悟的记录下来，希望传递给入门的有心沉下心做基础健 壮扎实的初学者。
帧内位置
0,1
2
3,4
5
6 …… N
N+1
N+2
N+3，N+4
取值范围 ：（0x3A）,=（0x3D） 0x00 - 0xFF 0x0 ≤ Len ≤ 0xFFFF
0x00 ~ 0xFF
0x00 ~ 0xFF
CR(0x0D),LF(0x0A)
注：
1.N 取值范围：0 To 65535 。 2.CRC 验证起止段：开始于帧头（SOF），结束于 CRC 验证码（低字节）前最后一个有效数据字节（DataBuf[N]），CRC 验证：多项式（0xA001）.
N+3 0x0D
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表（3）类通用型（TYPE_C/V1.0）帧格式
I 类通用型（TYPE_C/V1.0）帧格式
8*N 串二进制流
N 串字节流
校验/检查区域（CHECK AREA)
帧结构 帧头段（SOF AREA）
数据段（DATA AREA)
数据域
SOF
Function
Lenght
起没有及时读取/释放串口 BUF 中数据，就会在获取数据时得到错误的数据，这个错误的长 度数据可能导致创建的栈溢出，引发周边数据被篡改（注意所有字节变量定义区域选择，根 据单片机 RAM 资源，合理分配变量所处位置，尽量局部变量定义在 DATA、IDATA 区域，程 序执行效率也高些；数据栈定义在 XDATA 区域），数据栈溢出处理不好将是灾难性事件。在 接收数据域的数据之前切记一定要判断数据域长度信息（空闲中断除外）是否合法，不合法 的及时抛弃掉这帧数据，复位接收标识状态，准备新一帧的数据检查接入栈工作。
字节数
1BYTE
1BYTE
1BYTE
1BYTE
(2 - 4)Bytes
效验码(CHK AREA)
CRC16 校验，多项式（0xA001） CRC16 低字节 CRC16 尾
2Byte
1Byte
帧内位置
0
1
2
3
4
5
……
N
N+1
N+2
取值范围 注：
:（0x3A）
0x00~0xF F
0x00~0xFF
0x00~0xFF
0x00~0xFF
0x00 ~ 0xFF
1.Databuf[N]，N 取值范围：2(PC->H 型），4（H 型->PC）。
2.CRC 验证起止段：开始于帧头（SOF），结束于 CRC 验证码（低字节）前最后一个有效数据字节，CRC 验证：多项式（0xA001）。
‘U’（55H）、‘@’（40H）等等 只要保证帧头字节数据内容，在所有通讯数据字节流中，除帧头有意为之而出现，那就
是帧头。建议最好有两个字节及以上，这样数据出现与帧头一致的概率更加小，才做到独一 无二的特殊性。
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表（1）类通用型（TYPE_A/V1.0）帧格式
I 类通用型（TYPE_A/V1.0）帧格式
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正文
做嵌入式硬件开发一般都会用到通讯数据交互，这就涉及通讯协议/规约的设计。本文 从基础的串口（RS232、RS485 等）为模型进行讲解。 说道串口通讯，就是编写串口程序，简单的就是 1 个字节的发送，1 个字节的接收，但这不 能满足绝大多数实际工作业务需求，实际需要一串字节数据的交互，A 发送，B 接收……Z 接收；Z 机……B 机收到根据情况需要回复（ACK）A 机，这个过程就叫交互双向通讯（本文 不讨论多主机、1 主机相对复杂通讯机制。）。这种通讯就需要提前设计好通讯的规约（大家 约定好暗号——每个字节代表什么意思）。 接下来编写通信程序（发送/接收），如何写出一个健壮高效串口程序？是否健壮高效其实很 大一部分取决于通讯接收程序的架构。 通讯程序编写依据是——通讯规约，通讯帧的设计。 I 类通用型：
8*N 串二进制流
N 串字节流
校验/检查区域（CHECK AREA)
帧结构 帧头段（SOF AREA）
数据段（DATA AREA)
数据域（DATA AREA LENGHT）
SOF
Lenght
帧头
数据域长度
Function
DataBuf[N]
功能码
数据
字节数
2BYTE
2BYTE
1Byte
0Bytes To NBytes
特例 1： 串口空闲中断：帧头、帧尾都可以不用。建议，帧头保留，帧尾可以不需要。当单片机 没有串口空闲中断时考虑，也可能有其他考虑，所以帧头得保留。
功能码 功能码主要用于说明该数据帧的功能，也可作为函数指针的索引，一个索引值代表了一
个具体功能，据此可找到对应的功能函数。
比如： 设计一个函数指针数组，通过功能码进行索引，进而跳转到对应的功能函数执行程序。
（DATA AREA LENGHT）
帧头
功能码
数据域长度
DataBuf[N]
数据
字节数
2BYTE
1BYTE
2Byte
0Bytes To NBytes
效验码(CHK AREA)
CRC16 校验，多项式
（0xA001）
CRC16
CRC16
低字节
高字节
2Byte
帧尾段（EOF AREA)
EOF 帧尾 2Byte
||帧头段|===|数据段|===|校验码|===|帧尾段|| II 类时隙通讯：
||开始时隙 T（T1T2T3T4T5T6）|=|功能码|=|数据段|=|校验码|=|结束时隙 T（T1T2T3）| 注意：时隙只是纯粹的前后两帧数据的间隔时间，这期间坚决不能有数据产生。