STM32進階之串口環形緩衝區實現

• 2019 年 10 月 16 日
• 筆記

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，然後先走，後來的人只能後買到票

隊列的常見兩種形式

普通隊列

在電腦中，每個資訊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，存放我們一個個的資訊。

當有大量數據的時候，我們不能存儲所有的數據，那麼電腦處理數據的時候，只能先處理先來的，那麼處理完後呢，就會把數據釋放掉，再處理下一個。那麼，已經處理的數據的記憶體就會被浪費掉。因為後來的數據只能往後排隊，如過要將剩餘的數據都往前移動一次，那麼效率就會低下了，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）。我們採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：在電腦中，也是沒有環形的記憶體的，只不過是我們將順序的記憶體處理過，讓某一段記憶體形成環形，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)是緩衝區可讀的數據，指向列隊尾的指針(Tail)是緩衝區可寫的數據，通過移動這兩個指針(Head) &(Tail)即可對緩衝區的數據進行讀寫操作了，直到緩衝區已滿（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』，然後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衝區的數據讀寫。

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，那麼隊列尾的指針就會指向下一個可以寫的地址。

從隊列到串口緩衝區的實現

串口環形緩衝區收發：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，然後把數據發回來。這種處理方式是沒有緩衝的，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，那麼，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。那麼就會出現丟包的現象了，對我們的程式是一個致命的創傷。

那麼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。將接受的數據快取一下，讓處理的速度有些許緩衝，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，那麼我們肯定是用環形隊列來進行實現了。下面就是程式碼的實現：

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的緩衝區

初始化

初始化結構體相關資訊：使得我們的環形緩衝區是頭尾相連的，並且裡面沒有數據，也就是空的隊列。

/**   * @brief  RingBuff_Init   * @param  void   * @return void   * @author 傑傑   * @date   2018   * @version v1.0   * @note   初始化環形緩衝區   */  void RingBuff_Init(void)  {     //初始化相關資訊     ringBuff.Head = 0;     ringBuff.Tail = 0;     ringBuff.Lenght = 0;  }

初始化效果如下：

寫入環形緩衝區的程式碼實現：

/**   * @brief  Write_RingBuff   * @param  u8 data   * @return FLASE:環形緩衝區已滿，寫入失敗;TRUE:寫入成功   * @author 傑傑   * @date   2018   * @version v1.0   * @note   往環形緩衝區寫入u8類型的數據   */  u8 Write_RingBuff(u8 data)  {     if(ringBuff.Lenght >= RINGBUFF_LEN) //判斷緩衝區是否已滿      {        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;  }

讀取緩衝區的數據的程式碼實現：

/**   * @brief  Read_RingBuff   * @param  u8 *rData，用於保存讀取的數據   * @return FLASE:環形緩衝區沒有數據，讀取失敗;TRUE:讀取成功   * @author 傑傑   * @date   2018   * @version v1.0   * @note   從環形緩衝區讀取一個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，從緩衝區頭出  //   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：

1. 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。那麼如果處理的速度趕不上接收的速度，可以適當增大緩衝區的大小，用空間換取時間。

2. 防止指針越界非法訪問，程式有說明，需要使用者對整個緩衝區的大小進行把握。

那麼在串口接收函數中：

void USART1_IRQHandler(void)    {     if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中斷                     {             USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);       //清楚標誌位             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，傑傑我本人寫程式碼也慢慢學會規範了。所有的程式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衝區的方式來收發數據，移植到大家的程式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  //使用環形緩衝區形式接收數據   #if  USER_RINGBUFF   /**如果使用環形緩衝形式接收串口數據***/   #define  RINGBUFF_LEN          200     //定義最大接收位元組數 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，那麼這種環形緩衝區的作用就很大了，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

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