代码收藏家技术教程 2024-08-25

串口数据收发中固定位置丢数问题解析与解决方案——引入环形缓冲区（ringbuffer）的实践探讨

一、起因

二、解决办法

1.ringbuffer介绍

2.ringbuffer代码示例

2.1ringbuffer结构体

2.2创建一个ringbuffer

2.3判断ringbuffer的状态

2.4往ringbuffer中放数据

2.5从ringbuffer中取数据

三、实现效果

一、起因

最近在移植letter shell组件成功以后，正常发送命令但是每次回显都不完整并且在固定位置缺少字母(现象如下图)

于是想到应该是串口收发数据出了问题，分析一下收发数据及回显的过程，开始怀疑是中断上下文切换导致的cpu处理不过来串口数据，后面得知这个处理过程时间很短（不超过1us），通过分析知道了是shell回显出了问题，当我用串口给shell发字符“help”，shell通过中断方式接收是没问题的，接收到的是完整的“help”字符，然后shell会通过串口再把字符发回来（回显），在调用串口发送函数时每发送一个字符有个while循环等待发送完毕，这里需要cpu处理数据，就导致了回显出现丢数据的情况。

二、解决办法

对于串口丢数据的情况，看到网上大部分的解决办法是用串口的FIFO模式，串口FIFO可以理解为串口专用的缓存，该缓存采用先进先出方式。

串口FIFO：串口接收的数据，先放入接收FIFO中，当FIFO中的数据达到触发值（通常触发值为1、2、4、8、14字节）或者FIFO中的数据虽然没有达到设定值但是一段时间（通常为3.5个字符传输时间）没有再接收到数据，则通知CPU产生接收中断；发送的数据要先写入发送FIFO，只要发送FIFO未空，硬件会自动发送FIFO中的数据。写入发送FIFO的字节个数受FIFO最大深度影响，通常一次写入最多允许16字节。

这个方法确实不错，但是考虑到有些单片机没有FIFO模式，这里引入和FIFO有点类似的处理方法——ringbuffer环形缓冲区，它不需要硬件支持，是比较通用的处理方法。

1.ringbuffer介绍

ringbuffer定义：

环形缓冲区（Ring Buffer），也称为循环缓冲区、环形队列（Ring Queue）或循环队列（Circular Queue），是一种用于在固定大小的存储区域中存储数据的数据结构。

2.ringbuffer代码示例

这里分享的是一种数据宽度为8位（一字节）的ringbuffer，下面具体分析它的实现过程。

2.1ringbuffer结构体

struct ringbuffer8
{
    uint32_t tail;
    uint32_t head;
    uint32_t length;

    uint8_t buffer[];
};

这个结构体包含了环形缓冲区的头尾节点，长度，以及柔性数组buffer[]（注：在C99中，结构体中最后一个成员允许是大小未知的数组，这就叫做柔性数组成员），在计算这个结构体的大小时，柔性数组不会包含在其中，即上面结构体的大小为12字节。

2.2创建一个ringbuffer

ringbuffer8_t rb8_new(uint8_t *buff, uint32_t length)
{
    ringbuffer8_t rb = (ringbuffer8_t)buff;
    rb->length = length - sizeof(struct ringbuffer8);

    return rb;
}

创建ringbuffer的接口，供外部调用，开辟的空间转换为结构体类型，并用结构体指针来接收。rb->length为柔性数组的空间大小。

2.3判断ringbuffer的状态

bool rb8_empty(ringbuffer8_t rb)
{
    return rb->head == rb->tail;
}

bool rb8_full(ringbuffer8_t rb)
{
    return next_head(rb) == rb->tail;
}

这里指定头结点与尾结点重合即ringbuffer空，头结点的下一个结点为尾结点即ringbuffer满。

2.4往ringbuffer中放数据

bool rb8_put(ringbuffer8_t rb, uint8_t data)
{
    if (next_head(rb) == rb->tail)
        return false;

    rb->buffer[rb->head] = data;
    rb->head = next_head(rb);

    return true;
}

bool rb8_puts(ringbuffer8_t rb, uint8_t *data, uint32_t size)
{
    bool ret = true;

    for (uint16_t i = 0; i < size && ret; i++)
    {
        ret = rb8_put(rb, data[i]);
    }

    return ret;
}

这里提供了两个接口，分别为往ringbuffer中放一字节数据和多字节数据，往ringbuffer放数据前应判断ringbuffer的状态是否为满，然后把数据放入当前头结点所指向空间，再移动头结点到下一位，放多字节数据的过程就是循环调用放一字节数据的接口。

注意：如果ringbuffer满了，再往里放数据的话就会导致数据丢失，不会覆盖旧的数据，使用场景更适合像视频这种丢几帧数据不影响正常观看。

2.5从ringbuffer中取数据

bool rb8_get(ringbuffer8_t rb, uint8_t *data)
{
    if (rb->head == rb->tail)
        return false;

    *data = rb->buffer[rb->tail];
    rb->tail = next_tail(rb);

    return true;
}

bool rb8_gets(ringbuffer8_t rb, uint8_t *data, uint32_t size)
{
    bool ret = true;

    for (uint16_t i = 0; i < size && ret; i++)
    {
        ret = rb8_get(rb, &data[i]);
    }

    return ret;
}

取数据的过程和放数据的实现过程类似，首先判断ringbuffer的状态是否为空，然后从尾结点所指向空间取数据，再移动尾结点到下一位。