串口通信工程筆記之協議設計

　　下面設計的串口通信協議用於完成雙機互聯程序的文件傳輸功能，簡稱SPCP。設計思想基於枕幀傳輸方式，即在向串口發送數據時是一幀一幀地發送。為了保證可靠傳輸，通過握手建立連接，在每一幀的傳輸中，采用發送/應答/重連/失敗方式。

一、幀格式

　　雙機互聯采用3種幀：控制幀、數據幀與短語幀。控制幀與數據幀用於文件傳輸，短語幀用於短消息發送。

1.  數據幀

　　包括幀頭、負載數據和校驗和。幀頭6個字節，如下圖所示，其中count表示負載數據的字節數，Check1表示第2與第3字節校驗和。

0	1	2	3	4	5
0x00	0x00	count		Check1

圖1  數據幀頭

　　負載數據長count字節，最多不超過0x1000字節。校驗和占2個字節，是對負載數據計算校驗和的結構。

2.  控制幀

　　控制幀和控制信號合作完成通信同步與控制任務，它只有幀頭，長為6字節。

0	1	2	3	4	5
0x00	0x01	nPack		Check2

圖2  傳輸起始控制幀

　　nPack表示本次傳輸共發送幀數，便於讓接收方控制進度，Check2為第2，3字節的校驗和。當nPack=Check2=0時，表示本次傳輸結束，當接收方收到該幀時，不管是否已收到應收的幀數，都將結束此次傳輸。在沒有發生傳輸錯誤的情況下，一次傳輸只會出現兩次控制幀，第一次在傳輸開始時，第二次在傳輸結束時。

3.  短語幀

　　短語幀中負載均為文本數據。發送與接收該幀不需要建立連接也沒有錯誤控制，只是在幀頭和幀尾插入了同步信號。

0x03

文本數據

0x03

圖3  短語幀結構

二、控制信號

　　為提高通信效率，SPCP使用控制信號進行通信同步、糾錯燈各種控制人物。SPCP定義了6中控制信號：

       const BYTE    SYN[1] = {0x1};                 //請求

       const BYTE    ACK[1] = {0x2};                 //響應

　　 const BYTE    RESEND[1] = {0x4};           //重發

　　 const BYTE    BUSY[1] = {0x7};                //忙

　　 const BYTE    BYE[3] = {6, 0, 6};              //斷開連接

　　 const BYTE    STR[1] = {0x3};                  //短信息同步信號

三、數據分幀及數據重組

　　應用程序發送過來的數據作為一個流按SPCP進行分幀，切割后為每幀加上幀頭和校驗和，放入SPCP內部緩沖區內准備發送；在接收端，分幀的數據去掉幀頭重新歸到接收緩沖區流，由應用程序接收。

圖4  數據分幀過程

圖5  數據重組過程

四、傳輸流程

　　在發送數據前，SPCP發送方將應用程序希望發送的數據進行分幀，然后按照下面的步驟通信。

1.  握手

1. 由發送端發送SYN信號，等待反饋；
2. 接收端收到SYN后返回ACK信號；
3. 發送端接收到ACK信號后，由發送端發送控制首幀；
4. 接收到收到控制首幀后，CheckSum錯誤則發送RESEND信號，然后重復步驟c~d；如果正確，發ACK信號；
5. 發送端收到ACK信號后，轉到2數據傳輸的步驟a。

2.  數據傳輸

1. 由發送端發送第i幀幀頭，等待反饋；若發送方發現該幀是控制結束幀，則轉到3斷開連接的步驟a；
2. 接收端收到幀頭后，幀長度校驗和錯誤則發RESEND信號，然后重復步驟a~b。如果正確，發ACK信號；
3. 若發送端收到ACK信號，則發送幀中數據和校驗和；
4. 接收端收到數據后，數據校驗和錯誤則發RESEND信號，然后重復步驟c~d。如果正確，發ACK信號；
5. 若發送端收到ACK信號，則該幀數據發送成功。發送端發送SYN信號，開始下一幀的握手過程；
6. 若接收端收到SYN信號，則發送ACK信號進行確認；
7. 若發送端接收到ACK信號，則重復a~e步驟進行下一幀的傳輸。

3.  斷開連接

1. 發送方發送控制結束幀，准備結束此次通信；
2. 若接收端接收控制結束幀，則發送ACK信號，准備結束此次通信；
3. 若發送端收到ACK信號，則發送BYE控制信號；
4. 若接收方收到BYE信號，則拆除此次連接，同時發送ACK信號；
5. 發送方收到ACK信號后，拆除連接。

　　注意：上述3個階段的所有步驟中都存在超時處理，即若通信的某一方在限定時間內沒有收到答復，則將斷開連接，結束此次通信。此外，如果因為某錯誤而引起的重發次數超過3次，也就中斷此次通信。