STM32進階之串口環形緩衝區實現

隊列的概念

在此以前，咱們來回顧一下隊列的基本概念：

隊列 (Queue)：是一種先進先出(First In First Out ,簡稱 FIFO)的線性表，只容許在一端插入（入隊），在另外一端進行刪除（出隊）。

隊列的特色

相似售票排隊窗口，先到的人看到能先買到票，而後先走，後來的人只能後買到票

隊列的常見兩種形式

普通隊列

在計算機中，每一個信息都是存儲在存儲單元中的，比喻一下吧，上圖的一些小正方形格子就是一個個存儲單元，你能夠理解爲常見的數組，存放咱們一個個的信息。

當有大量數據的時候，咱們不能存儲全部的數據，那麼計算機處理數據的時候，只能先處理先來的，那麼處理完後呢，就會把數據釋放掉，再處理下一個。那麼，已經處理的數據的內存就會被浪費掉。由於後來的數據只能日後排隊，如過要將剩餘的數據都往前移動一次，那麼效率就會低下了，確定不現實，因此，環形隊列就出現了。

環形隊列

它的隊列就是一個環，它避免了普通隊列的缺點，就是有點難理解而已，其實它就是一個隊列，同樣有隊列頭，隊列尾，同樣是先進先出（FIFO）。咱們採用順時針的方式來對隊列進行排序。

• 隊列頭 (Head) : 容許進行刪除的一端稱爲隊首。
• 隊列尾 (Tail) : 容許進行插入的一端稱爲隊尾。

環形隊列的實現：在計算機中，也是沒有環形的內存的，只不過是咱們將順序的內存處理過，讓某一段內存造成環形，使他們首尾相連，簡單來講，這其實就是一個數組，只不過有兩個指針，一個指向列隊頭，一個指向列隊尾。指向列隊頭的指針(Head)是緩衝區可讀的數據，指向列隊尾的指針(Tail)是緩衝區可寫的數據，經過移動這兩個指針(Head) &(Tail)便可對緩衝區的數據進行讀寫操做了，直到緩衝區已滿（頭尾相接），將數據處理完，能夠釋放掉數據，又能夠進行存儲新的數據了。

實現的原理：初始化的時候，列隊頭與列隊尾都指向0，當有數據存儲的時候，數據存儲在‘0’的地址空間，列隊尾指向下一個能夠存儲數據的地方‘1’，再有數據來的時候，存儲數據到地址‘1’，而後隊列尾指向下一個地址‘2’。當數據要進行處理的時候，確定是先處理‘0’空間的數據，也就是列隊頭的數據，處理完了數據，‘0’地址空間的數據進行釋放掉，列隊頭指向下一個能夠處理數據的地址‘1’。從而實現整個環形緩衝區的數據讀寫。

看圖，隊列頭就是指向已經存儲的數據，而且這個數據是待處理的。下一個CPU處理的數據就是1；而隊列尾則指向能夠進行寫數據的地址。當1處理了，就會把1釋放掉。而且把隊列頭指向2。當寫入了一個數據6，那麼隊列尾的指針就會指向下一個能夠寫的地址。

從隊列到串口緩衝區的實現

串口環形緩衝區收發：在不少入門級教程中，咱們知道的串口收發都是：接收一個數據，觸發中斷，而後把數據發回來。這種處理方式是沒有緩衝的，當數量太大的時候，亦或者當數據接收太快的時候，咱們來不及處理已經收到的數據，那麼，當再次收到數據的時候，就會將以前還未處理的數據覆蓋掉。那麼就會出現丟包的現象了，對咱們的程序是一個致命的創傷。

那麼如何避免這種狀況的發生呢，很顯然，上面說的一些隊列的特性很容易幫咱們實現咱們須要的狀況。將接受的數據緩存一下，讓處理的速度有些許緩衝，使得處理的速度趕得上接收的速度，上面又已經分析了普通隊列與環形隊列的優劣了，那麼咱們確定是用環形隊列來進行實現了。下面就是代碼的實現：

定義一個結構體：

typedef struct
{
    u16 Head;           
    u16 Tail;
    u16 Lenght;
    u8 Ring_Buff[RINGBUFF_LEN];
}RingBuff_t;
RingBuff_t ringBuff;//建立一個ringBuff的緩衝區複製代碼

初始化

初始化結構體相關信息：使得咱們的環形緩衝區是頭尾相連的，而且裏面沒有數據，也就是空的隊列。

/**
 * @brief  RingBuff_Init
 * @param  void
 * @return void
 * @author 傑傑
 * @date   2018
 * @version v1.0
 * @note   初始化環形緩衝區
 */
void RingBuff_Init(void)
{
   //初始化相關信息
   ringBuff.Head = 0;
   ringBuff.Tail = 0;
   ringBuff.Lenght = 0;
}複製代碼

初始化效果以下：

寫入環形緩衝區的代碼實現：

/**
 * @brief  Write_RingBuff
 * @param  u8 data
 * @return FLASE:環形緩衝區已滿，寫入失敗;TRUE:寫入成功
 * @author 傑傑
 * @date   2018
 * @version v1.0
 * @note   往環形緩衝區寫入u8類型的數據
 */
u8 Write_RingBuff(u8 data)
{
   if(ringBuff.Lenght >= RINGBUFF_LEN) //判斷緩衝區是否已滿
    {
      return FLASE;
    }
    ringBuff.Ring_Buff[ringBuff.Tail]=data;
//    ringBuff.Tail++;
    ringBuff.Tail = (ringBuff.Tail+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法訪問
    ringBuff.Lenght++;
    return TRUE;
}複製代碼

讀取緩衝區的數據的代碼實現：

/**
 * @brief  Read_RingBuff
 * @param  u8 *rData，用於保存讀取的數據
 * @return FLASE:環形緩衝區沒有數據，讀取失敗;TRUE:讀取成功
 * @author 傑傑
 * @date   2018
 * @version v1.0
 * @note   從環形緩衝區讀取一個u8類型的數據
 */
u8 Read_RingBuff(u8 *rData)
{
   if(ringBuff.Lenght == 0)//判斷非空
    {
       return FLASE;
    }
   *rData = ringBuff.Ring_Buff[ringBuff.Head];//先進先出FIFO，從緩衝區頭出
//   ringBuff.Head++;
   ringBuff.Head = (ringBuff.Head+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法訪問
   ringBuff.Lenght--;
   return TRUE;
}複製代碼

對於讀寫操做須要注意的地方有兩個：

1. 判斷隊列是否爲空或者滿，若是空的話，是不容許讀取數據的，返回FLASE。若是是滿的話，也是不容許寫入數據的，避免將已有數據覆蓋掉。那麼若是處理的速度趕不上接收的速度，能夠適當增大緩衝區的大小，用空間換取時間。
2. 防止指針越界非法訪問，程序有說明，須要使用者對整個緩衝區的大小進行把握。

那麼在串口接收函數中：

void USART1_IRQHandler(void)   
{
   if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中斷
                   {
           USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);       //清楚標誌位
           Write_RingBuff(USART_ReceiveData(USART1));      //讀取接收到的數據
       }
}複製代碼

測試效果

測試數據沒有發生丟包現象

補充

對於如今的階段，傑傑我本人寫代碼也慢慢學會規範了。全部的代碼片斷均使用了可讀性很強的，還有可移植性也很強的。我使用了宏定義來決定是否開啓環形緩衝區的方式來收發數據，移植到你們的代碼並不會有其餘反作用，只須要開啓宏定義便可使用了。

#define USER_RINGBUFF  1  //使用環形緩衝區形式接收數據
 #if  USER_RINGBUFF
 /**若是使用環形緩衝形式接收串口數據***/
 #define  RINGBUFF_LEN          200     //定義最大接收字節數 200
 #define  FLASE   1 
 #define  TRUE    0 
 void RingBuff_Init(void);
 u8 Write_RingBuff(u8 data);
 u8 Read_RingBuff(u8 *rData);
#endif複製代碼

固然，咱們徹底能夠用空閒中斷與DMA傳輸，效率更高，可是某些單片機沒有空閒中斷與DMA，那麼這種環形緩衝區的做用就很大了，而且移植簡便。

說明：文章部分截圖來源慕課網james_yuan老師的課程

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