隊列的概念
在此之前，我們來回顧一下隊列的基本概念：
隊列 (Queue)：是一種先進先出(First In First Out ,簡稱 FIFO)的線性表，只允許在一端插入（入隊），在另一端進行刪除（出隊）。
隊列的特點
類似售票排隊窗口，先到的人看到能先買到票，然后先走，后來的人只能后買到票
隊列的常見兩種形式
普通隊列
在計算機中，每個信息都是存儲在存儲單元中的，比喻一下吧，上圖的一些小正方形格子就是一個個存儲單元，你可以理解為常見的數組，存放我們一個個的信息。
當有大量數據的時候，我們不能存儲所有的數據，那么計算機處理數據的時候，只能先處理先來的，那么處理完后呢，就會把數據釋放掉，再處理下一個。那么，已經處理的數據的內存就會被浪費掉。因為后來的數據只能往后排隊，如過要將剩余的數據都往前移動一次，那么效率就會低下了，肯定不現實，所以，環形隊列就出現了。
環形隊列
它的隊列就是一個環，它避免了普通隊列的缺點，就是有點難理解而已，其實它就是一個隊列，一樣有隊列頭，隊列尾，一樣是先進先出（FIFO）。我們采用順時針的方式來對隊列進行排序。
-
隊列頭 (Head) : 允許進行刪除的一端稱為隊首。
-
隊列尾 (Tail) : 允許進行插入的一端稱為隊尾。
環形隊列的實現：在計算機中，也是沒有環形的內存的，只不過是我們將順序的內存處理過，讓某一段內存形成環形，使他們首尾相連，簡單來說，這其實就是一個數組，只不過有兩個指針，一個指向列隊頭，一個指向列隊尾。指向列隊頭的指針(Head)是緩沖區可讀的數據，指向列隊尾的指針(Tail)是緩沖區可寫的數據，通過移動這兩個指針(Head) &(Tail)即可對緩沖區的數據進行讀寫操作了，直到緩沖區已滿（頭尾相接），將數據處理完，可以釋放掉數據，又可以進行存儲新的數據了。
實現的原理：初始化的時候，列隊頭與列隊尾都指向0，當有數據存儲的時候，數據存儲在‘0’的地址空間，列隊尾指向下一個可以存儲數據的地方‘1’，再有數據來的時候，存儲數據到地址‘1’，然后隊列尾指向下一個地址‘2’。當數據要進行處理的時候，肯定是先處理‘0’空間的數據，也就是列隊頭的數據，處理完了數據，‘0’地址空間的數據進行釋放掉，列隊頭指向下一個可以處理數據的地址‘1’。從而實現整個環形緩沖區的數據讀寫。
看圖，隊列頭就是指向已經存儲的數據，並且這個數據是待處理的。下一個CPU處理的數據就是1；而隊列尾則指向可以進行寫數據的地址。當1處理了，就會把1釋放掉。並且把隊列頭指向2。當寫入了一個數據6，那么隊列尾的指針就會指向下一個可以寫的地址。
從隊列到串口緩沖區的實現
串口環形緩沖區收發：在很多入門級教程中，我們知道的串口收發都是：接收一個數據，觸發中斷，然后把數據發回來。這種處理方式是沒有緩沖的，當數量太大的時候，亦或者當數據接收太快的時候，我們來不及處理已經收到的數據，那么，當再次收到數據的時候，就會將之前還未處理的數據覆蓋掉。那么就會出現丟包的現象了，對我們的程序是一個致命的創傷。
那么如何避免這種情況的發生呢，很顯然，上面說的一些隊列的特性很容易幫我們實現我們需要的情況。將接受的數據緩存一下，讓處理的速度有些許緩沖，使得處理的速度趕得上接收的速度，上面又已經分析了普通隊列與環形隊列的優劣了，那么我們肯定是用環形隊列來進行實現了。下面就是代碼的實現：
定義一個結構體：
typedef struct
{
u16 Head;
u16 Tail;
u16 Lenght;
u8 Ring_Buff[RINGBUFF_LEN];
}RingBuff_t;
RingBuff_t ringBuff;//創建一個ringBuff的緩沖區
初始化
初始化結構體相關信息：使得我們的環形緩沖區是頭尾相連的，並且里面沒有數據，也就是空的隊列。
/**
* @brief RingBuff_Init
* @param void
* @return void
* @author 傑傑
* @date 2018
* @version v1.0
* @note 初始化環形緩沖區
*/
void RingBuff_Init(void)
{
//初始化相關信息
ringBuff.Head = 0;
ringBuff.Tail = 0;
ringBuff.Lenght = 0;
}
初始化效果如下：
寫入環形緩沖區的代碼實現：
/**
* @brief Write_RingBuff
* @param u8 data
* @return FLASE:環形緩沖區已滿，寫入失敗;TRUE:寫入成功
* @author 傑傑
* @date 2018
* @version v1.0
* @note 往環形緩沖區寫入u8類型的數據
*/
u8 Write_RingBuff(u8 data)
{
if(ringBuff.Lenght >= RINGBUFF_LEN) //判斷緩沖區是否已滿
{
return FLASE;
}
ringBuff.Ring_Buff[ringBuff.Tail]=data;
// ringBuff.Tail++;
ringBuff.Tail = (ringBuff.Tail+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法訪問
ringBuff.Lenght++;
return TRUE;
}
讀取緩沖區的數據的代碼實現：
/**
* @brief Read_RingBuff
* @param u8 *rData，用於保存讀取的數據
* @return FLASE:環形緩沖區沒有數據，讀取失敗;TRUE:讀取成功
* @author 傑傑
* @date 2018
* @version v1.0
* @note 從環形緩沖區讀取一個u8類型的數據
*/
u8 Read_RingBuff(u8 *rData)
{
if(ringBuff.Lenght == 0)//判斷非空
{
return FLASE;
}
*rData = ringBuff.Ring_Buff[ringBuff.Head];//先進先出FIFO，從緩沖區頭出
// ringBuff.Head++;
ringBuff.Head = (ringBuff.Head+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法訪問
ringBuff.Lenght--;
return TRUE;
}
對於讀寫操作需要注意的地方有兩個：
-
判斷隊列是否為空或者滿，如果空的話，是不允許讀取數據的，返回FLASE。如果是滿的話，也是不允許寫入數據的，避免將已有數據覆蓋掉。那么如果處理的速度趕不上接收的速度，可以適當增大緩沖區的大小，用空間換取時間。
-
防止指針越界非法訪問，程序有說明，需要使用者對整個緩沖區的大小進行把握。
那么在串口接收函數中：
void USART1_IRQHandler(void)
{
if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET) //接收中斷
{
USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE); //清楚標志位
Write_RingBuff(USART_ReceiveData(USART1)); //讀取接收到的數據
}
}
測試效果
測試數據沒有發生丟包現象
補充
對於現在的階段，傑傑我本人寫代碼也慢慢學會規范了。所有的代碼片段均使用了可讀性很強的，還有可移植性也很強的。我使用了宏定義來決定是否開啟環形緩沖區的方式來收發數據，移植到大家的代碼並不會有其他副作用，只需要開啟宏定義即可使用了。
#define USER_RINGBUFF 1 //使用環形緩沖區形式接收數據
#if USER_RINGBUFF
/**如果使用環形緩沖形式接收串口數據***/
#define RINGBUFF_LEN 200 //定義最大接收字節數 200
#define FLASE 1
#define TRUE 0
void RingBuff_Init(void);
u8 Write_RingBuff(u8 data);
u8 Read_RingBuff(u8 *rData);
#endif
當然，我們完全可以用空閑中斷與DMA傳輸，效率更高，但是某些單片機沒有空閑中斷與DMA，那么這種環形緩沖區的作用就很大了，並且移植簡便。
說明：文章部分截圖來源慕課網james_yuan老師的課程
喜歡就關注我吧！
相關代碼可以在公眾號后台獲取。
更多資料歡迎關注“物聯網IoT開發”公眾號！