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三種常見嵌入式設(shè)備通信協(xié)議

Q4MP_gh_c472c21 ? 2018-03-06 10:06 ? 次閱讀
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嵌入式設(shè)備與PC通訊的通信協(xié)議設(shè)計經(jīng)驗

嵌入式設(shè)備在運行中需要設(shè)置參數(shù),這個工作經(jīng)常由PC機來實現(xiàn),需要為雙方通信設(shè)計協(xié)議,有代表性協(xié)議是如下三種:

表1 三種常見通信協(xié)議

從上表可以看到,一般嵌入式設(shè)備內(nèi)存和運算性能都有限,因此固定二進制是首選通信協(xié)議。

一. 簡單性

保證協(xié)議是一個簡單的方案,晦澀難懂往往意味著實現(xiàn)困難和容易出錯。協(xié)議的結(jié)構(gòu)宜采用平面方式,每個域作用明確,數(shù)據(jù)域盡可能設(shè)計得長度和位置固定,注釋詳盡,文檔清晰,實例豐富,讓人盡快上手和理解。

協(xié)議一般都需要以下域:幀頭,長度,幀類型,目標(biāo)地址,源地址,數(shù)據(jù),校驗,幀尾。

二. 可擴展

必須保證將來增加功能和更改硬件后協(xié)議仍能勝任工作,這往往是通過預(yù)留空間來實現(xiàn),協(xié)議的變更應(yīng)該只是量的增加,不至于引起協(xié)議結(jié)構(gòu)的變化。

三. 低耦合

理想情況下每個協(xié)議包是原子信息,即本協(xié)議包不與其他協(xié)議包牽連,以防止通訊丟幀和設(shè)置牽連帶來的錯誤。

四. 穩(wěn)定性

協(xié)議包長度適宜:太小包含的信息過少,協(xié)議包的種類繁多,容易引起通訊混亂和牽連錯誤;太大包含的信息過多,可讀性較差,組幀和解幀的工作困難,還會帶來通訊易受干擾的缺陷,一般協(xié)議長度以最小原子性信息為標(biāo)尺。

協(xié)議必須包括校驗機制,以便于接收方判別協(xié)議包正確完整接收,如果出錯需要較好的機制來確保通訊成功(如重傳)。

五. 高效率

按信息類型區(qū)分協(xié)議包類別,如:設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息參數(shù),設(shè)置當(dāng)前運行參數(shù),可以區(qū)分開來,方便程序處理。

將同種操作編碼為一個子集是一種高效手段,如Read操作,編碼為0x0010,Write操作,編碼為0x0020。

數(shù)據(jù)盡可能設(shè)計成同構(gòu)模式,如果實在有差異,至少將同類型數(shù)據(jù)放置在一起,這樣程序可以充分利用指針和線性尋址加速處理。

六. 易實現(xiàn)

盡量減少復(fù)雜算法的使用,如,通訊鏈路穩(wěn)定,數(shù)據(jù)幀的校驗碼可以由CheckSum代替CRC。除非資源非常緊張,否則不要將過多的信息擠壓在一個數(shù)據(jù)里,因為它會帶來可讀性差和實現(xiàn)困難。

七.軟件開發(fā)

盡可能地讓硬件ISR完成驅(qū)動工作,不要讓“進程”參與復(fù)雜的時序邏輯,否則處理器將步履蹣跚且邏輯復(fù)雜!如:

接收固定長度的數(shù)據(jù)幀,可以使用DMA,每接收完一幀DMA_ISR向進程發(fā)消息。小心處理DMA斷層異常(接收的數(shù)據(jù)幀長度正常但數(shù)據(jù)錯誤,數(shù)據(jù)為上幀的后半部分+本幀的前半部分)。

接收不定長的數(shù)據(jù)幀,可以使用狀態(tài)機,當(dāng)接收到“幀尾數(shù)據(jù)”時向進程發(fā)消息。小心數(shù)據(jù)紊亂和超時異常(數(shù)據(jù)紊亂時需要將狀態(tài)機及時復(fù)位,超時一般使用定時器監(jiān)控)。

八. 考慮硬件

如果通信鏈路是高速總線(如SPORT可達100Mbps),一般設(shè)計成一幀產(chǎn)生一次中斷,它通過長度觸發(fā)的DMA來實現(xiàn),需要將協(xié)議設(shè)計成固定長度,如附錄A。它具備高效率,但靈活性較差。

如果通信鏈路是低速總線(如UART一般100kbps),一般接收一字節(jié)產(chǎn)生一次中斷,可以將協(xié)議設(shè)計成變長幀,如附錄B。它具備高靈活性,但效率較低。

附錄A 一個基于DMA傳輸固定長度的協(xié)議實例。

圖1顯示了PC發(fā)送數(shù)據(jù)幀的格式,總長為64字節(jié),是4字節(jié)的整倍數(shù),符合絕大部分32位處理器結(jié)構(gòu)體對齊的特性。

0x3C:INT8U,幀頭,可見字符’<’

Len:INT8U,本幀的總數(shù)據(jù)長度,在圖4即為64

Dst:INT8U,標(biāo)識目標(biāo)設(shè)備的ID號

Src:INT8U,標(biāo)識源設(shè)備的ID號

Data:56字節(jié)的存儲區(qū),內(nèi)容依賴于具體的通信幀(實例見表2)

Cmd:INT16U,數(shù)據(jù)幀的類別

CS:INT8U, 對它前面所有數(shù)據(jù)(62字節(jié))進行8位累加和校驗

0x7D:INT8U, 幀尾,可見字符’}’

圖1 PC發(fā)送數(shù)據(jù)幀

表2 Data域數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實例

附錄B 一個基于變長格式的UART通信協(xié)議實例。

PC與iWL880A(一種無線通信產(chǎn)品,詳見www.rimelink.com)通信幀采用變長格式,如下圖所示。大部分設(shè)備(常見為PC機)對于接收以“回車符”的機制很好處理,協(xié)議中的Tail就等于0x0D(換行符)。

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原文標(biāo)題:嵌入式設(shè)備與PC通訊的通信協(xié)議設(shè)計經(jīng)驗

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