STM32串口開發之環形緩沖區

01、簡介

在之前的文章《stm32 串口詳解》中，我們講解了串口的基本應用，使用串口中斷接收數據，串口中斷發送回包（一般可以使用非中斷形式發送回包，在數據接收不頻繁的應用中。串口接收中斷保證串口數據及時響應，使用非中斷方式發送回包即可）。

后面的文章《STM32使用DMA接收串口數據》和《STM32使用DMA發送串口數據》講解了如何使用DMA輔助串口收發數據，使用DMA的好處在於不用CPU即可完成串口收發數據，減輕CPU負擔，在串口通信頻繁且不想頻繁中斷的應用中非常有用。

除了上述兩種場景，還有一種應用場景：串口接收數據長度位置，頻率未知，不要求實時處理的場景。如果采用上述方案，接收一幀數據立即處理，那么在處理的時候來的數據包就“丟失”了。這個時候就需要緩沖隊列來解決這個問題。

02、緩沖區

緩沖區看名字就知道，是緩沖數據用的。實現緩沖區最簡單的辦法時，定義多個數組，接收一包數據到數組A，就把接收數據的地址換成數組B，每個數據有個標記字節用於表示這個數組是否收到數據，收到數據是否處理完成。

上述方案是完全可行的，但有缺點：

①緩沖數據組數一定，且有多變量，代碼結構不太清晰。

②接收數據長度可能大於數組大小，也可能小於數組大小。不靈活，需要接收數據很長時容易出錯，且內存利用率低。

解決這個問題的好辦法是：環形緩沖區。

環形緩沖區就是一個帶“頭指針”和“尾指針”的數組。“頭指針”指向環形緩沖區中可讀的數據，“尾指針”指向環形緩沖區中可寫的緩沖空間。通過移動“頭指針”和“尾指針”就可以實現緩沖區的數據讀取和寫入。在通常情況下，應用程序讀取環形緩沖區的數據僅僅會影響“頭指針”，而串口接收數據僅僅會影響“尾指針”。當串口接收到新的數組，則將數組保存到環形緩沖區中，同時將“尾指針”加1，以保存下一個數據；應用程序在讀取數據時，“頭指針”加1，以讀取下一個數據。當“尾指針”超過數組大小，則“尾指針”重新指向數組的首元素，從而形成“環形緩沖區”！，有效數據區域在“頭指針”和“尾指針”之間。如下圖

 

 

 如上面說的，環形緩沖區其實就是一個數組，將其“剪開”，然后“拉直”后如下圖

 

 

 環形緩沖區的特性

1、先進新出。

2、當緩沖區被使用完，且又有新的數據需要存儲時，丟掉歷史最久的數據，保存最新數據。

03、代碼實現

環形緩沖區的實現很簡單，只需要簡單的幾個接口即可。

首先需要創建一個環形緩沖區

#define  RINGBUFF_LEN          (500)     //定義最大接收字節數 500
#define  RINGBUFF_OK           1     
#define  RINGBUFF_ERR          0   
typedef struct
{
    uint16_t Head;           
    uint16_t Tail;
    uint16_t Lenght;
    uint8_t  Ring_data[RINGBUFF_LEN];
}RingBuff_t;
RingBuff_t ringBuff;//創建一個ringBuff的緩沖區

當我們發現環形緩沖區被“沖爆”時，也就是緩沖區滿了，但是還有待緩沖的數據時，只需要修改RINGBUFF_LEN的宏定義，增大緩沖區間即可。

環形緩沖區的初始化

 
/**
* @brief  RingBuff_Init
* @param  void
* @return void
* @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;
}

主要是將環形緩沖區的頭，尾和長度清零，表示沒有任何數據存入。

環形緩沖區的寫入

/**
* @brief  Write_RingBuff
* @param  uint8_t data
* @return FLASE:環形緩沖區已滿，寫入失敗;TRUE:寫入成功
* @note   往環形緩沖區寫入uint8_t類型的數據
*/
uint8_t Write_RingBuff(uint8_t data)
{
  if(ringBuff.Lenght >= RINGBUFF_LEN) //判斷緩沖區是否已滿
  {
    return RINGBUFF_ERR;
  }
  ringBuff.Ring_data[ringBuff.Tail]=data;
  ringBuff.Tail = (ringBuff.Tail+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法訪問
  ringBuff.Lenght++;
  return RINGBUFF_OK;
}

這個接口是寫入一個字節到環形緩沖區。這里注意：大家可以根據自己的實際應用修改為一次緩沖多個字節。並且這個做了緩沖區滿時報錯且防止非法越界的處理，大家可以自行修改為緩沖區滿時覆蓋最早的數據。

環形緩沖區的讀取

/**
* @brief  Read_RingBuff
* @param  uint8_t *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
* @note   從環形緩沖區讀取一個u8類型的數據
*/
uint8_t Read_RingBuff(uint8_t *rData)
{
  if(ringBuff.Lenght == 0)//判斷非空
  {
    return RINGBUFF_ERR;
  }
  *rData = ringBuff.Ring_data[ringBuff.Head];//先進先出FIFO，從緩沖區頭出
  ringBuff.Head = (ringBuff.Head+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法訪問
  ringBuff.Lenght--;
  return RINGBUFF_OK;
}

讀取的話也很簡單，同樣是讀取一個字節，大家可以自行修改為讀取多個字節。

04、驗證

光說不練假把式，下面我們就來驗證上面的代碼可行性。

串口中斷函數中緩沖數據

void USART1_IRQHandler(void)
{
  if(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE))
  {
    Write_RingBuff(USART_ReceiveData(USART1));
    USART_ClearFlag(USART1, USART_FLAG_RXNE);
  }
}

在主循環中，讀取緩沖區的數據，然后發送出去，因為是簡單的demo，添加了延時模擬CPU處理其他任務。

 
while (1)
  {
    if(Read_RingBuff(&data))            //從環形緩沖區中讀取數據
    {
      USART_SendData(USART1, data);
    }
    SysCtlDelay(1*(SystemCoreClock/3000));
  }

驗證，間隔100ms發送數據。

 

 結果顯示沒有出現丟包問題。如果你的應用場景串口通信速率快，數據量大或處理速度慢導致丟包，建議增大RINGBUFF_LEN的宏定義，增大緩沖區間即可。

Keil和IAR的工程文件下載地址：

https://github.com/strongercjd/STM32F207VCT6

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