引 言 串口通信是日前單片機(jī)和DSP等嵌入式系統(tǒng)之間，以及嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)或無線模塊之間的一種非常重要且普遍使用的通信方式在嵌入式系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中，通常只有一個(gè)8位或16位的CPU，不僅要完成主流程的工作，同時(shí)還要處理隨時(shí)發(fā)生的各種中斷，因而嵌入式系統(tǒng)中的串口通信程序設(shè)計(jì)與PC機(jī)有很大的不同若嵌入式系統(tǒng)中．中斷服務(wù)子程序在系統(tǒng)運(yùn)行過程中占用了較多的時(shí)間，就有可能在中斷眼務(wù)子程序正運(yùn)行時(shí)，又產(chǎn)生一個(gè)同類型或其他類型的中斷，從而造成主程序得不到執(zhí)行或后續(xù)中斷數(shù)據(jù)丟失所以，嵌入式系統(tǒng)中的串口通信雖然看似簡單，但其中仍有許多問題值得研究，例如串口通信過程中的幀同步問題本文針對該問題給出了逐次比較、基于FIFO隊(duì)列和基于狀態(tài)機(jī)的3種幀同步方法通過測試、分析和比較得出，基于有限狀態(tài)機(jī)的方法是嵌入式系統(tǒng)串口通信中很有效的幀同步方法，同時(shí)也是一種很不錯(cuò)的串口通信程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 。 1 串口通信的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代工業(yè)控制，往往需要由多個(gè)獨(dú)立的控制模塊來共同完成它們之間通過串口通信完成復(fù)雜的控制過程，必須在通信過程中加入必要的通信協(xié)議，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；而要完成特定的通信協(xié)議，就得有一定的同步機(jī)制下面介紹一下簡化的串口通信數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，以便分析說明嵌入式系統(tǒng)串口通信過程中的幀同步方法。 假定串口發(fā)送的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)為： 其中：包頭用于同步，一般是一個(gè)或多個(gè)ASCII字符，本文中假定數(shù)據(jù)幀同步頭有2字節(jié)（0xAA、0x55）；包長表示數(shù)據(jù)包中除去包頭和包長的字節(jié)數(shù)，一般用約定好的幾個(gè)字節(jié)表示；類型為通信協(xié)議里規(guī)定的命令類型；數(shù)據(jù)為應(yīng)發(fā)送的主要信息；校驗(yàn)通常采用單字節(jié)“異或”的方法。 2 串口通信中的幀同步方法 2．1 逐次比較的幀同步方法 首先等待串口數(shù)據(jù)，將接收到的第1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)與約定好的包頭信息的第1個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較如果不正確，則等待新字節(jié)，直到接收的數(shù)據(jù)與包頭信息的第1個(gè)字節(jié)相同第1個(gè)字節(jié)比較正確以后，將收到的第2個(gè)字節(jié)與包頭信息的第2個(gè)字節(jié)進(jìn)行比較如果仍然正確，則說明串口接收已經(jīng)同步，可以開始接收數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)部分；否則，重新開始同步過程其程序流程如圖1所示。 此種方法代碼量小，編程簡單，一般用于在主程序中以非中斷方式接收串口數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)性很差、數(shù)據(jù)幀較短的場合但是，在串口速度過快且包頭字節(jié)數(shù)比較多的情況下，串口實(shí)現(xiàn)同步花費(fèi)的時(shí)間很長或很難實(shí)現(xiàn)同步例如，串口接收到序列Ox0O OxAA0xAA 0x55…，當(dāng)遇到第一個(gè)“0xAA”時(shí)，該方法認(rèn)為第1個(gè)字節(jié)正確開始比較第2個(gè)同步頭第2個(gè)字節(jié)仍是“0xAA”而不是“0x55”，所以必須等待新的字節(jié)重新開始比較第1個(gè)同步頭而緊隨其后的是“0x55”，因而，此時(shí)包頭的第1個(gè)字節(jié)也沒有同步上事實(shí)上，“0x00 OxAA”是干擾字節(jié)，“0xAA 0x55”才是通信協(xié)議中的同步頭。 2.2 基于FIFO隊(duì)列的幀同步方法 根據(jù)同步包頭的長度，定義一個(gè)相同長度的全局字節(jié)數(shù)組，把該數(shù)組看成是一個(gè)如圖2所示的先入先出（FIFO）的隊(duì)列程序流程如圖3所示。 本例中定義兩個(gè)字節(jié)HEADl和HEAD2，都初始化為0xFF同步時(shí)，丟棄數(shù)組頭字節(jié)HEADl，數(shù)組中的所有數(shù)據(jù)向前移動(dòng)一個(gè)字節(jié)，串口接收到的新字節(jié)存入數(shù)組末字節(jié)HEAD2中，將整個(gè)數(shù)組與協(xié)議中的包頭信息比較如果正確，則置位已同步標(biāo)志位，然后開始接收、存儲(chǔ)有用數(shù)據(jù)；否則，繼續(xù)等待同步串口數(shù)據(jù)接收完后，不僅要清除已同步標(biāo)志，還要把HEADl和HEAD2兩個(gè)字節(jié)都賦值0xFF；否則，將會(huì)影響下一幀數(shù)據(jù)的同步和接收用前面提到的序列“0x00 0xAA 0xAA 0x55…”進(jìn)行測試，隨著串口接收中斷收到新的字節(jié)幀同步隊(duì)列中的數(shù)據(jù)依次為：[0xFF，0xFF]→[0x00，0xFF]→[0xAA，0x00]→[0xAA，0xAA]→[0x55，0xAA]此時(shí)，該算法檢測出[HEAD2，HEAD2]==[0x55，0xAA]，從而實(shí)現(xiàn)了同步，置位已同步標(biāo)志位以便下次進(jìn)入串口接收中斷服務(wù)子程序時(shí)開始接收數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分。 此種方法與逐次比較的幀同步方法相比，能夠比較快速、正確地檢測出同步包頭；但是如果包頭的字節(jié)數(shù)很多，同步過程中每次進(jìn)入串口中斷服務(wù)子程序都要進(jìn)行大量的字節(jié)搬移，將必然耗費(fèi)很長的時(shí)間為了使嵌入式系統(tǒng)更健壯，程序設(shè)計(jì)應(yīng)把握的基本原則之一就是使中斷處理程序最短所以基于FIFO隊(duì)列的幀同步方法也不是最優(yōu)的。 2.3 基于有限狀態(tài)機(jī)的幀同步方法 為解決以上問題，可以采用基于有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法該方法將數(shù)據(jù)幀的接收過程分為若干個(gè)狀態(tài)：接收信息頭HEADl狀態(tài)、接收信息頭HEAD2狀態(tài)、接收包長狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)類型狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)狀態(tài)及接收校驗(yàn)和狀態(tài)系統(tǒng)的初始狀態(tài)為HEADl狀態(tài)，各接收狀態(tài)間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示，仍用前面提到的序列“0x00 0xAA 0xAA 0x55…”進(jìn)行測試隨著串口接收中斷新字節(jié)的接收，系統(tǒng)的接收狀態(tài)依次為HEAD1→HEAD1→HEAD2→HEAD2→LEN可見此時(shí)就是同步狀態(tài)該方法也快速、有效地實(shí)現(xiàn)了同步；但是需要注意的是，在每一次接收完1幀完整的數(shù)據(jù)之后，必須把系統(tǒng)的接收狀態(tài)重新設(shè)置為HEADl，否則將會(huì)影響下一幀的數(shù)據(jù)接收。 此后，程序按照協(xié)議開始依次接收數(shù)據(jù)幀長度、命令類型、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位接收完后，重新設(shè)置系統(tǒng)接收狀態(tài)為HEADl，同時(shí)對該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)校驗(yàn)正確后，利用消息機(jī)制通知主程序根據(jù)命令類型對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行處理或執(zhí)行相應(yīng)的命令操作。 下面給出該方法在KeilC5l中的示例程序： 由于采用了狀態(tài)機(jī)和消息機(jī)制的結(jié)構(gòu)，上述設(shè)計(jì)思路快速有效地實(shí)現(xiàn)了串口通信的同步，而且程序結(jié)構(gòu)清晰，便于維護(hù)，也易于向其他的串口通信協(xié)議移植另外，串口中斷服務(wù)子程序中需要處理的工作很少，每個(gè)串口接收中斷平均耗時(shí)不超過20個(gè)機(jī)器周期（在單片機(jī)AT89C5l中），大大減輕了串口接收中斷服務(wù)程序的壓力，緩解了嵌入式系統(tǒng)有限資源與需求之問的矛盾，提高了嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 3 結(jié)論 從上面的分析和測試可以看出，基于有限狀態(tài)機(jī)的串口通信幀同步方法是本文中提出的3種幀方法中最優(yōu)的，結(jié)構(gòu)清晰且系統(tǒng)資源利用率高。 對一個(gè)有著完整通信協(xié)議的串口中斷來說，因?yàn)橐容^命令頭、完成校驗(yàn)、解析數(shù)據(jù)等需要耗費(fèi)大量的機(jī)器周期，所以嵌入式系統(tǒng)中的串口中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)顯得更為重要在實(shí)際的串口通信程序中，可采用狀態(tài)機(jī)和消息機(jī)制相結(jié)合的方法，僅在中斷服務(wù)程序中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，而在主程序中根據(jù)相應(yīng)標(biāo)志來作處理，這樣就回避了某些中斷可能需要較長處理時(shí)間的問題在程序結(jié)構(gòu)上，由于采用狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)，既提高了可讀性同時(shí)又提高了運(yùn)行速度，因而該方法不僅是一種很好的幀同步方法，還是一種很不錯(cuò)的串口通信程序設(shè)計(jì)方法。