1.1 環(huán)形緩沖區(qū)的實現(xiàn)思路

單片機程序開發(fā)一般都會用到UART串口通信，通過通信來實現(xiàn)上位機和單片機程序的數(shù)據(jù)交互。通信中為了實現(xiàn)正常的收發(fā)，一般都會有對應(yīng)的發(fā)送和接收緩存來暫存通信數(shù)據(jù)。這里使用環(huán)形緩沖區(qū)的方式來設(shè)計數(shù)據(jù)收發(fā)的緩存，即緩沖區(qū)溢出后，從緩沖區(qū)數(shù)組的起始索引處重新進行數(shù)據(jù)的存儲，這樣可以比較高效地使用緩沖區(qū)。

核心思路摘抄如下。規(guī)定以下所有方案，在緩沖區(qū)滿時不可再寫入數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)空時不能讀數(shù)據(jù)。

常規(guī)數(shù)組環(huán)形緩沖區(qū)思路：

設(shè)緩沖區(qū)大小為N，隊頭out，隊尾in，out、in均是下標表示。

• 初始時，in = out = 0
• 隊頭隊尾的更新用取模操作，out = (out + 1) % N，in = (in + 1) % N
• out == in表示緩沖區(qū)空，(in + 1) % N == out表示緩沖區(qū)滿
• 入隊que[in] = value; in = (in + 1) % N;
• 出隊ret = que[out]; out = (out + 1) % N;
• 數(shù)據(jù)長度 len = (in - out + N) % N

改進版數(shù)組環(huán)形緩沖區(qū)思路：

同樣假設(shè)緩沖區(qū)大小為N，隊頭out，隊尾in，out、in為數(shù)組下標，但數(shù)據(jù)類型為unsigned int。

• 初始時，in = out = 0
• 上調(diào)緩沖區(qū)大小N為2的冪，假設(shè)為M
• 隊頭隊尾更新不再取模，直接++out，++in
• out == in表示緩沖區(qū)空，(in - out) == M表示緩沖區(qū)滿
• 入隊que[in & (M - 1)] = value; ++in;
• 出隊ret = que[out & (M - 1)] ; ++out;
• in - out表示數(shù)據(jù)長度

1.2 環(huán)形緩沖區(qū)的代碼實現(xiàn)

本文對應(yīng)的工程代碼鏈接如下。該工程基于eclipse IDE開發(fā)，編譯器使用arm-none-eabi-gcc，使用的硬件是STM32F429I-DISCO開發(fā)板。

https://download.csdn.net/download/goodrenze/85163032

根據(jù)以上的環(huán)形緩沖區(qū)設(shè)計思路，先定義緩存對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體類型如下。

typedef struct _UartBuf_t
{
#if UART_RECORD_LOST_NUM
    uint32_t TxLostNum;
#endif
    uint8_t* TxBuf;
#if UART_BUF_SIZE_IS_2POW
    uint16_t TxIn;
    uint16_t TxOut;
    uint16_t TxSize;
#else
    int16_t TxIn;
    int16_t TxOut;
    int16_t TxSize;
#endif


#if UART_RECORD_LOST_NUM
    uint32_t RxLostNum;
#endif
    uint8_t* RxBuf;
#if UART_BUF_SIZE_IS_2POW
    uint16_t RxIn;
    uint16_t RxOut;
    uint16_t RxSize;
#else
    int16_t RxIn;
    int16_t RxOut;
    int16_t RxSize;
#endif
}UartBuf_t;

以上結(jié)構(gòu)體中，UART_RECORD_LOST_NUM宏定義用于設(shè)置是否記錄丟失的數(shù)據(jù)個數(shù)，UART_BUF_SIZE_IS_2POW宏定義用于設(shè)置收發(fā)緩存的長度是否是2的冪，如果緩存長度是2的冪，則緩存索引和長度使用無符號數(shù)，否則使用有符號數(shù)。TxBuf和RxBuf指針用于指向?qū)?yīng)的發(fā)送和接收的緩存數(shù)組。

本例程的UART串口發(fā)送和接收都是用串口中斷來實現(xiàn)的，串口中斷處理函數(shù)的代碼實現(xiàn)如下，只需要在對應(yīng)的串口中斷入口函數(shù)中調(diào)用該函數(shù)進行串口數(shù)據(jù)的收發(fā)處理即可。

// 以下環(huán)形緩沖區(qū)的設(shè)計思路參考以下鏈接：
// https://www.cnblogs.com/zengzy/p/5139582.html
void UartIrqService(USART_TypeDef* UartX, UartBuf_t* Buf)
{
  uint32_t SR = UartX->SR;
  uint32_t CR1 = UartX->CR1;
  uint32_t CR3 = UartX->CR3;


  UNUSED(CR3);


  while(SR & USART_SR_RXNE)
  {
#if UART_RECORD_LOST_NUM
    if(SR & USART_SR_ORE)
    {
      Buf->RxLostNum++;
    }
#endif


#if UART_BUF_SIZE_IS_2POW
    if ((Buf->RxIn - Buf->RxOut) != Buf->RxSize)
    {
      Buf->RxBuf[Buf->RxIn & (Buf->RxSize - 1)] = (uint8_t)(UartX->DR & (uint8_t)0x00FF);
      Buf->RxIn++;
    }
#else
    if (((Buf->RxIn + 1) % Buf->RxSize) != Buf->RxOut)
    {
      Buf->RxBuf[Buf->RxIn++] = (uint8_t)(UartX->DR & (uint8_t)0x00FF);
      Buf->RxIn %= Buf->RxSize;
    }
#endif
    else
    {
      Buf->RxBuf[Buf->RxIn] = (uint8_t)(UartX->DR & (uint8_t)0x00FF);
#if UART_RECORD_LOST_NUM
      Buf->RxLostNum++;
#endif
    }


    SR = UartX->SR;
  }


  if((SR & USART_SR_TXE) && (CR1 & USART_CR1_TXEIE))
  {
    if(Buf->TxIn != Buf->TxOut)
    {
#if UART_BUF_SIZE_IS_2POW
      UartX->DR = (uint8_t)(Buf->TxBuf[Buf->TxOut & (Buf->TxSize - 1)] & (uint8_t)0x00FF);
      Buf->TxOut++;
#else
      UartX->DR = (uint8_t)(Buf->TxBuf[Buf->TxOut++] & (uint8_t)0x00FF);
      Buf->TxOut %= Buf->TxSize;
#endif
    }
    else
    {
      CLEAR_BIT(UartX->CR1, USART_CR1_TXEIE);
    }
  }
}

以上代碼就是上面提到的環(huán)形緩沖區(qū)思路的具體實現(xiàn)。當緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)長度是2的冪的時候，可以省去求余的運算，可以提高代碼的執(zhí)行速度。所以如果要求代碼的執(zhí)行時間盡量短，可以考慮將緩沖區(qū)的長度設(shè)置成2的冪。