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在嵌入式系统开发中#xff0c;与上位机进行串口通信是非常常见的场景。上位机可以通过串口发送指令或者数据给嵌入式设备#xff0c;而嵌入式设备需要可靠地接收并解析这些数据#xff0c;以执行相应的操作。然而#xff0c;在串口通信过程中#xff0c;上位机…一、前言
在嵌入式系统开发中与上位机进行串口通信是非常常见的场景。上位机可以通过串口发送指令或者数据给嵌入式设备而嵌入式设备需要可靠地接收并解析这些数据以执行相应的操作。然而在串口通信过程中上位机发送数据的速率往往与嵌入式设备接收和处理数据的速率不一致这就可能导致数据的丢失或者误解析。
为了解决这个问题决定设计并实现一个环形缓冲区来进行数据接收管理。环形缓冲区是一种高效的数据结构适用于数据产生速率快于消费速率的场景。它具有固定大小的缓冲区并且可以循环利用空间保证数据的连续存储和有效利用。
在本项目中选择使用STM32微控制器来实现串口数据接收功能。STM32具有丰富的外设资源和强大的性能非常适合用于串口通信和数据处理。通过在STM32上实现环形缓冲区可以实现以下目标
1数据稳定接收通过使用环形缓冲区确保即使在接收数据速率慢于发送速率的情况下数据也能够得到稳定的接收避免数据丢失。
2数据缓存和管理环形缓冲区可以作为一个数据缓存区将接收到的数据暂时存储起来以便后续处理。这样可以降低数据处理的延迟和复杂性。
3数据解析和应用通过从环形缓冲区中读取数据并进行解析和处理嵌入式设备可以根据接收到的数据执行相应的操作如控制外部设备或响应上位机指令。
通过使用环形缓冲区管理串口接收的数据可以实现可靠的数据接收和处理并提高系统的稳定性和可靠性。同时该方案也适用于其他嵌入式系统和通信场景。 二、实现思路
1定义环形缓冲区的结构体首先需要定义一个表示环形缓冲区的结构体其中包含以下成员变量
缓冲区的大小capacity表示环形缓冲区的容量即可以存储的最大元素数量。写指针write_ptr表示当前可写入数据的位置。读指针read_ptr表示当前可读取数据的位置。数据数组buffer用于存储实际的数据。
2初始化环形缓冲区在使用环形缓冲区之前需要进行初始化。初始化时将缓冲区的大小、写指针和读指针都设置为初始位置通常都是0。
3写入数据当有新的数据要写入缓冲区时需要执行以下操作
检查缓冲区是否已满如果已满则无法写入新的数据。将数据写入当前写指针所指向的位置。更新写指针的位置通常是将其加1并考虑到环形特性需要进行取模运算。
4读取数据当需要从缓冲区中读取数据时需要执行以下操作
检查缓冲区是否为空如果为空则无数据可读取。读取当前读指针所指向的数据。更新读指针的位置通常是将其加1并考虑到环形特性需要进行取模运算。
5判断缓冲区状态为了方便使用和管理缓冲区可以实现一些用于判断缓冲区状态的函数例如
is_full()判断缓冲区是否已满。is_empty()判断缓冲区是否为空。
实现环形缓冲区时需要注意
写指针和读指针的位置计算要考虑到环形特性即超过缓冲区容量时需要进行取模运算。缓冲区大小要合理选择根据实际需求确定以充分利用内存资源并避免数据丢失。多线程或中断环境下的并发访问要考虑数据同步和互斥操作以避免竞争条件和数据不一致的问题。
通过以上思路可以在C语言中实现一个简单高效的环形缓冲区用于存储和管理数据在数据收发过程中提高系统的稳定性和可靠性。
三、 C语言实现验证思路
#include stdio.h
#include stdlib.h#define BUFFER_SIZE 10typedef struct {int* buffer; // 缓冲区数组指针int size; // 缓冲区大小int head; // 头部索引int tail; // 尾部索引
} CircularBuffer;// 创建环形缓冲区
CircularBuffer* createCircularBuffer(int size) {CircularBuffer* cb (CircularBuffer*)malloc(sizeof(CircularBuffer)); // 分配内存空间cb-buffer (int*)malloc(sizeof(int) * size); // 分配缓冲区数据的内存空间cb-size size; // 设置缓冲区大小cb-head 0; // 初始化头部索引为0cb-tail 0; // 初始化尾部索引为0return cb;
}// 销毁环形缓冲区
void destroyCircularBuffer(CircularBuffer* cb) {free(cb-buffer); // 释放缓冲区数据的内存空间free(cb); // 释放缓冲区结构体的内存空间
}// 判断环形缓冲区是否已满
int isCircularBufferFull(CircularBuffer* cb) {return ((cb-tail 1) % cb-size cb-head);
}// 判断环形缓冲区是否为空
int isCircularBufferEmpty(CircularBuffer* cb) {return (cb-head cb-tail);
}// 写入数据到环形缓冲区
void writeData(CircularBuffer* cb, int data) {if (isCircularBufferFull(cb)) { // 如果缓冲区已满则无法写入数据printf(Circular buffer is full. Data cannot be written.\n);return;}cb-buffer[cb-tail] data; // 将数据写入缓冲区的尾部cb-tail (cb-tail 1) % cb-size; // 更新尾部索引循环利用缓冲区空间
}// 从环形缓冲区读取数据
int readData(CircularBuffer* cb) {if (isCircularBufferEmpty(cb)) { // 如果缓冲区为空则无数据可读取printf(Circular buffer is empty. No data to read.\n);return -1; // 返回一个默认值表示读取失败}int data cb-buffer[cb-head]; // 从缓冲区的头部读取数据cb-head (cb-head 1) % cb-size; // 更新头部索引循环利用缓冲区空间return data;
}int main() {CircularBuffer* cb createCircularBuffer(BUFFER_SIZE); // 创建大小为BUFFER_SIZE的环形缓冲区writeData(cb, 1); // 写入数据1writeData(cb, 2); // 写入数据2writeData(cb, 3); // 写入数据3printf(Read data: %d\n, readData(cb)); // 读取数据并打印printf(Read data: %d\n, readData(cb));writeData(cb, 4);writeData(cb, 5);printf(Read data: %d\n, readData(cb));printf(Read data: %d\n, readData(cb));printf(Read data: %d\n, readData(cb));destroyCircularBuffer(cb); // 销毁环形缓冲区return 0;
}
四、STM32串口接收
#define BUFFER_SIZE 256typedef struct {uint8_t buffer[BUFFER_SIZE];uint16_t head;uint16_t tail;
} CircularBuffer;// 初始化环形缓冲区
void CircularBuffer_Init(CircularBuffer* cb) {cb-head 0;cb-tail 0;
}// 判断环形缓冲区是否已满
bool CircularBuffer_IsFull(const CircularBuffer* cb) {return (cb-head 1) % BUFFER_SIZE cb-tail;
}// 判断环形缓冲区是否为空
bool CircularBuffer_IsEmpty(const CircularBuffer* cb) {return cb-head cb-tail;
}// 向环形缓冲区写入数据
bool CircularBuffer_Write(CircularBuffer* cb, uint8_t data) {if (CircularBuffer_IsFull(cb)) { // 缓冲区已满无法写入return false;}cb-buffer[cb-head] data;cb-head (cb-head 1) % BUFFER_SIZE;return true;
}// 从环形缓冲区读取数据
bool CircularBuffer_Read(CircularBuffer* cb, uint8_t* data) {if (CircularBuffer_IsEmpty(cb)) { // 缓冲区为空无数据可读取return false;}*data cb-buffer[cb-tail];cb-tail (cb-tail 1) % BUFFER_SIZE;return true;
}// 获取环形缓冲区剩余大小
uint16_t CircularBuffer_GetRemainingSize(const CircularBuffer* cb) {if (cb-head cb-tail) {return BUFFER_SIZE - (cb-head - cb-tail);} else {return cb-tail - cb-head - 1;}
}// 获取环形缓冲区已写入大小
uint16_t CircularBuffer_GetWrittenSize(const CircularBuffer* cb) {if (cb-head cb-tail) {return cb-head - cb-tail;} else {return BUFFER_SIZE - (cb-tail - cb-head - 1);}
}// 从环形缓冲区读取指定长度的数据
bool CircularBuffer_ReadData(CircularBuffer* cb, uint8_t* data, uint16_t length) {if (CircularBuffer_GetWrittenSize(cb) length) {return false; // 缓冲区中的数据不足}for (uint16_t i 0; i length; i) {if (!CircularBuffer_Read(cb, data[i])) {return false; // 读取数据出错}}return true;
}// 向环形缓冲区写入指定长度的数据
bool CircularBuffer_WriteData(CircularBuffer* cb, const uint8_t* data, uint16_t length) {if (CircularBuffer_GetRemainingSize(cb) length) {return false; // 缓冲区剩余空间不足}for (uint16_t i 0; i length; i) {if (!CircularBuffer_Write(cb, data[i])) {return false; // 写入数据出错}}return true;
}// 示例STM32串口接收中断处理函数
void USART_Receive_IRQHandler(void) {uint8_t data USART_ReceiveData(USART1); // 获取接收到的数据if (!CircularBuffer_Write(rxBuffer, data)) {// 缓冲区已满处理错误}
}
在代码中定义了一个名为CircularBuffer的结构体来表示环形缓冲区。包含了一个具有固定大小的数组buffer用于存储数据以及头部指针head和尾部指针tail用于管理数据的读写位置。
接下来实现了一些函数来对环形缓冲区进行操作。CircularBuffer_Init函数用于初始化环形缓冲区CircularBuffer_IsFull和CircularBuffer_IsEmpty函数分别判断缓冲区是否已满和是否为空CircularBuffer_Write函数用于向缓冲区写入数据CircularBuffer_Read函数用于从缓冲区读取数据。
CircularBuffer_GetRemainingSize函数用于获取环形缓冲区的剩余大小即还能写入多少个字节的数据CircularBuffer_GetWrittenSize函数用于获取已经写入到缓冲区的字节数CircularBuffer_ReadData函数用于从环形缓冲区读取指定长度的数据将其存储到提供的数据数组中CircularBuffer_WriteData函数用于向环形缓冲区写入指定长度的数据从提供的数据数组中复制相应的字节。
使用这些方便函数可以更方便地管理环形缓冲区实现数据的读取和写入。
最后给出了一个示例展示在STM32串口接收中断处理函数中将接收到的数据写入环形缓冲区。在中断处理函数中通过USART_ReceiveData函数获取接收到的数据调用CircularBuffer_Write函数将数据写入缓冲区。
