STM32串口开发之环形缓冲区

01、简介

在之前的文章《stm32 串口详解》中，我们讲解了串口的基本应用，使用串口中断接收数据，串口中断发送回包（一般可以使用非中断形式发送回包，在数据接收不频繁的应用中。串口接收中断保证串口数据及时响应，使用非中断方式发送回包即可）。

后面的文章《STM32使用DMA接收串口数据》和《STM32使用DMA发送串口数据》讲解了如何使用DMA辅助串口收发数据，使用DMA的好处在于不用CPU即可完成串口收发数据，减轻CPU负担，在串口通信频繁且不想频繁中断的应用中非常有用。

除了上述两种场景，还有一种应用场景：串口接收数据长度位置，频率未知，不要求实时处理的场景。如果采用上述方案，接收一帧数据立即处理，那么在处理的时候来的数据包就“丢失”了。这个时候就需要缓冲队列来解决这个问题。

02、缓冲区

缓冲区看名字就知道，是缓冲数据用的。实现缓冲区最简单的办法时，定义多个数组，接收一包数据到数组A，就把接收数据的地址换成数组B，每个数据有个标记字节用于表示这个数组是否收到数据，收到数据是否处理完成。

上述方案是完全可行的，但有缺点：

①缓冲数据组数一定，且有多变量，代码结构不太清晰。

②接收数据长度可能大于数组大小，也可能小于数组大小。不灵活，需要接收数据很长时容易出错，且内存利用率低。

解决这个问题的好办法是：环形缓冲区。

环形缓冲区就是一个带“头指针”和“尾指针”的数组。“头指针”指向环形缓冲区中可读的数据，“尾指针”指向环形缓冲区中可写的缓冲空间。通过移动“头指针”和“尾指针”就可以实现缓冲区的数据读取和写入。在通常情况下，应用程序读取环形缓冲区的数据仅仅会影响“头指针”，而串口接收数据仅仅会影响“尾指针”。当串口接收到新的数组，则将数组保存到环形缓冲区中，同时将“尾指针”加1，以保存下一个数据；应用程序在读取数据时，“头指针”加1，以读取下一个数据。当“尾指针”超过数组大小，则“尾指针”重新指向数组的首元素，从而形成“环形缓冲区”！，有效数据区域在“头指针”和“尾指针”之间。如下图

 

 

 如上面说的，环形缓冲区其实就是一个数组，将其“剪开”，然后“拉直”后如下图

 

 

 环形缓冲区的特性

1、先进新出。

2、当缓冲区被使用完，且又有新的数据需要存储时，丢掉历史最久的数据，保存最新数据。

03、代码实现

环形缓冲区的实现很简单，只需要简单的几个接口即可。

首先需要创建一个环形缓冲区

#define  RINGBUFF_LEN          (500)     //定义最大接收字节数 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;//创建一个ringBuff的缓冲区

当我们发现环形缓冲区被“冲爆”时，也就是缓冲区满了，但是还有待缓冲的数据时，只需要修改RINGBUFF_LEN的宏定义，增大缓冲区间即可。

环形缓冲区的初始化

 
/**
* @brief  RingBuff_Init
* @param  void
* @return void
* @note   初始化环形缓冲区
*/
void RingBuff_Init(void)
{
  //初始化相关信息
  ringBuff.Head = 0;
  ringBuff.Tail = 0;
  ringBuff.Lenght = 0;
}

主要是将环形缓冲区的头，尾和长度清零，表示没有任何数据存入。

环形缓冲区的写入

/**
* @brief  Write_RingBuff
* @param  uint8_t data
* @return FLASE:环形缓冲区已满，写入失败;TRUE:写入成功
* @note   往环形缓冲区写入uint8_t类型的数据
*/
uint8_t Write_RingBuff(uint8_t data)
{
  if(ringBuff.Lenght >= RINGBUFF_LEN) //判断缓冲区是否已满
  {
    return RINGBUFF_ERR;
  }
  ringBuff.Ring_data[ringBuff.Tail]=data;
  ringBuff.Tail = (ringBuff.Tail+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法访问
  ringBuff.Lenght++;
  return RINGBUFF_OK;
}

这个接口是写入一个字节到环形缓冲区。这里注意：大家可以根据自己的实际应用修改为一次缓冲多个字节。并且这个做了缓冲区满时报错且防止非法越界的处理，大家可以自行修改为缓冲区满时覆盖最早的数据。

环形缓冲区的读取

/**
* @brief  Read_RingBuff
* @param  uint8_t *rData，用于保存读取的数据
* @return FLASE:环形缓冲区没有数据，读取失败;TRUE:读取成功
* @note   从环形缓冲区读取一个u8类型的数据
*/
uint8_t Read_RingBuff(uint8_t *rData)
{
  if(ringBuff.Lenght == 0)//判断非空
  {
    return RINGBUFF_ERR;
  }
  *rData = ringBuff.Ring_data[ringBuff.Head];//先进先出FIFO，从缓冲区头出
  ringBuff.Head = (ringBuff.Head+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法访问
  ringBuff.Lenght--;
  return RINGBUFF_OK;
}

读取的话也很简单，同样是读取一个字节，大家可以自行修改为读取多个字节。

04、验证

光说不练假把式，下面我们就来验证上面的代码可行性。

串口中断函数中缓冲数据

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

在主循环中，读取缓冲区的数据，然后发送出去，因为是简单的demo，添加了延时模拟CPU处理其他任务。

 
while (1)
  {
    if(Read_RingBuff(&data))            //从环形缓冲区中读取数据
    {
      USART_SendData(USART1, data);
    }
    SysCtlDelay(1*(SystemCoreClock/3000));
  }

验证，间隔100ms发送数据。

 

 结果显示没有出现丢包问题。如果你的应用场景串口通信速率快，数据量大或处理速度慢导致丢包，建议增大RINGBUFF_LEN的宏定义，增大缓冲区间即可。

Keil和IAR的工程文件下载地址：

https://github.com/strongercjd/STM32F207VCT6

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