嵌入式設(shè)備與PC通訊的通信協(xié)議設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

嵌入式設(shè)備在運(yùn)行中需要設(shè)置參數(shù)，這個(gè)工作經(jīng)常由PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要為雙方通信設(shè)計(jì)協(xié)議，有代表性協(xié)議是如下三種：

表1 三種常見(jiàn)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(yùn)算性能都有限，因此固定二進(jìn)制是首選通信協(xié)議。

一． 簡(jiǎn)單性

保證協(xié)議是一個(gè)簡(jiǎn)單的方案，晦澀難懂往往意味著實(shí)現(xiàn)困難和容易出錯(cuò)。協(xié)議的結(jié)構(gòu)宜采用平面方式，每個(gè)域作用明確，數(shù)據(jù)域盡可能設(shè)計(jì)得長(zhǎng)度和位置固定，注釋詳盡，文檔清晰，實(shí)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(zhǎng)度，幀類(lèi)型，目標(biāo)地址，源地址，數(shù)據(jù)，校驗(yàn)，幀尾。

二． 可擴(kuò)展

必須保證將來(lái)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(guò)預(yù)留空間來(lái)實(shí)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(gè)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(lái)的錯(cuò)誤。

四． 穩(wěn)定性

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

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

五． 高效率

按信息類(lèi)型區(qū)分協(xié)議包類(lèi)別，如：設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信息參數(shù)，設(shè)置當(dāng)前運(yùn)行參數(shù)，可以區(qū)分開(kāi)來(lái)，方便程序處理。

將同種操作編碼為一個(gè)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(jì)成同構(gòu)模式，如果實(shí)在有差異，至少將同類(lèi)型數(shù)據(jù)放置在一起，這樣程序可以充分利用指針和線(xiàn)性尋址加速處理。

六． 易實(shí)現(xiàn)

盡量減少?gòu)?fù)雜算法的使用，如，通訊鏈路穩(wěn)定，數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)碼可以由CheckSum代替CRC。除非資源非常緊張，否則不要將過(guò)多的信息擠壓在一個(gè)數(shù)據(jù)里，因?yàn)樗鼤?huì)帶來(lái)可讀性差和實(shí)現(xiàn)困難。

七．軟件開(kāi)發(fā)

盡可能地讓硬件ISR完成驅(qū)動(dòng)工作，不要讓“進(jìn)程”參與復(fù)雜的時(shí)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(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀，可以使用DMA，每接收完一幀DMA_ISR向進(jìn)程發(fā)消息。小心處理DMA斷層異常（接收的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度正常但數(shù)據(jù)錯(cuò)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀，可以使用狀態(tài)機(jī)，當(dāng)接收到“幀尾數(shù)據(jù)”時(shí)向進(jìn)程發(fā)消息。小心數(shù)據(jù)紊亂和超時(shí)異常（數(shù)據(jù)紊亂時(shí)需要將狀態(tài)機(jī)及時(shí)復(fù)位，超時(shí)一般使用定時(shí)器監(jiān)控）。

八. 考慮硬件

如果通信鏈路是高速總線(xiàn)（如SPORT可達(dá)100Mbps），一般設(shè)計(jì)成一幀產(chǎn)生一次中斷，它通過(guò)長(zhǎng)度觸發(fā)的DMA來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要將協(xié)議設(shè)計(jì)成固定長(zhǎng)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(xiàn)（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(jì)成變長(zhǎng)幀，如附錄B。它具備高靈活性，但效率較低。

附錄A 一個(gè)基于DMA傳輸固定長(zhǎng)度的協(xié)議實(shí)例。

圖1顯示了PC發(fā)送數(shù)據(jù)幀的格式，總長(zhǎng)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(duì)齊的特性。

0x3C：INT8U，幀頭，可見(jiàn)字符’<’

Len：INT8U，本幀的總數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，在圖4即為64

Dst：INT8U，標(biāo)識(shí)目標(biāo)設(shè)備的ID號(hào)

Src：INT8U，標(biāo)識(shí)源設(shè)備的ID號(hào)

Data：56字節(jié)的存儲(chǔ)區(qū)，內(nèi)容依賴(lài)于具體的通信幀（實(shí)例見(jiàn)表2）

Cmd：INT16U，數(shù)據(jù)幀的類(lèi)別

CS：INT8U, 對(duì)它前面所有數(shù)據(jù)（62字節(jié)）進(jìn)行8位累加和校驗(yàn)

0x7D：INT8U, 幀尾，可見(jiàn)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(shí)例

附錄B 一個(gè)基于變長(zhǎng)格式的UART通信協(xié)議實(shí)例。

PC與iWL880A（一種無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品，詳見(jiàn)www.rimelink.com）通信幀采用變長(zhǎng)格式，如下圖所示。大部分設(shè)備（常見(jiàn)為PC機(jī)）對(duì)于接收以“回車(chē)符”的機(jī)制很好處理，協(xié)議中的Tail就等于0x0D(換行符)。