嵌入式系统的串行通信包组织

Question

我有一个嵌入式项目，我正在实现一个库来处理 2 个微处理器之间的串行通信。我有一个结构，可以为随着时间的推移可能会添加的数据包提供一种可扩展的方法。

需要有不同的数据包携带可变长度的信息。每种类型的数据包由接收它的处理器以不同的方式解释。

只要有一个字节进入，就会执行读取。当一个完整的数据包到来时，调用消费者函数来尽快处理它。

我想解释我的方法，并就其弱点以及如何改进它获得一些反馈。

目前的方法：

• 创建一个显示数据成员和长度的结构。

#define PASSWORD_PACKET_BYTES   5
typedef union
{
    uint8_t PasswordBuffer[PASSWORD_PACKET_BYTES];
    struct
    {
        uint32_t Password;
        uint8_t  CRC;
    };
}password_packet_t;

• 创建一个包含所有类型数据包的联合和一个 uint_8 缓冲区。
• 创建一个结构，用于保存读取的字节、正在读取的当前数据包类型（联合标记）、转义状态。

#define DISPLAY_PACKET_BYTES    16
typedef struct
{
    union
    {
        uint8_t SerialBuffer[DISPLAY_PACKET_BYTES];
        password_packet_t PasswordPacket;
    };
    struct
    {
        uint8_t CurrentOperation;
        uint8_t BytesRead;
        bool EscapeNext;
    };
}disp_receive_packet_t;

• 创建一个显示不同类型数据包值的枚举（还包含转义字符的值）。

enum
{
    RECEIVE_NO_OPERATION = 0xA0,
    ACK, 
    PASSWORD,
    VERSION_REQUEST,
    RECEIVE_ESCAPE,
}DISP_RECEIVE_OPERATIONS;

功能的实现： - 每当读取一个字节时，检查它是否是一个新操作，如果是，则更改联合标记。 -Else 如果转义字符值设置转义标志。 -Else 将数据推送到缓冲区，增加读取的字节数。 还为当前操作调用检查完成函数（switch 语句）。 如果完成，则处理数据包并重置控制结构。 如果没有，什么都不会发生。

void DispRead1B(void)
{
    static uint8_t ReadByte;

    ReadByte = (uint8_t)UARTCharGet(DISP_BASE);

    if(DisplayPacket.EscapeNext)
    {
        DisplayPacketPushByte(ReadByte);
        DisplayPacket.EscapeNext = false;
    }
    else
    {
        if(ReadByte == RECEIVE_ESCAPE)
        {
            DisplayPacket.EscapeNext = true;
        }
        else if((ReadByte < RECEIVE_ESCAPE) && (ReadByte > RECEIVE_NO_OPERATION))
        {
            DisplayPacketChangeOperation(ReadByte);
        }
        else
        {
            DisplayPacketPushByte(ReadByte);
        }
    }
}

void DisplayPacketChangeOperation(uint8_t Operation)
{
    DisplayPacket.CurrentOperation = Operation;
    DisplayPacketResetBytesRead();
    DisplayPacket.EscapeNext = false;
    DisplayPacketCheckOperationFinished();
}

void DisplayPacketPushByte(uint8_t Value)
{
    DisplayPacket.SerialBuffer[DisplayPacket.BytesRead] = Value;
    DisplayPacketIncrementBytesRead();
    DisplayPacketCheckOperationFinished();
}

void DisplayPacketIncrementBytesRead(void)
{
    DisplayPacket.BytesRead += 1;
    if(DisplayPacket.CurrentOperation == RECEIVE_NO_OPERATION)
    {
        DisplayPacket.BytesRead = 0;
    }
}

bool DisplayPacketCheckOperationFinished(void)
{
  bool PacketFinished = false;
  switch (DisplayPacket.CurrentOperation)
  {
      case ACK:
          PacketFinished = DisplayPacketCheckAckFinished(); break;
      case VERSION_REQUEST:
          PacketFinished = DisplayPacketCheckVersionRequestFinished(); break;
      case PASSWORD:
          PacketFinished = DisplayPacketCheckPasswordFinished(); break;
      default:
          return false;
  }
  if(PacketFinished)
  {
      DisplayPacketChangeOperation(RECEIVE_NO_OPERATION);
  }
  return PacketFinished;
}

bool DisplayPacketCheckAckFinished(void)
{
    if(DisplayPacket.BytesRead == ACK_PACKET_BYTES)
    {
        if(CheckSysFlagNotSet(KeepAliveAckReceived))
        {
          UpdateSysFlag(KeepAliveAckReceived,true);
          StartAliveTimer();
        }
        else
        {
          UpdateSysFlag(ConnectionError,false);
          ReloadAliveTimer();
        }
        return true;
    }
    return false;
}

bool DisplayPacketCheckVersionRequestFinished(void)
{

    if(DisplayPacket.BytesRead == VER_REQ_PACKET_BYTES)
    {
      UpdateSysFlag(FirmwareVerRequested,true);
      return true;
    }
    return false;
}

bool DisplayPacketCheckPasswordFinished(void)
{
    if(DisplayPacket.BytesRead == PASSWORD_PACKET_BYTES)
    {
        PasswordPacket = DisplayPacket.PasswordPacket;
        UpdateSysFlag(PasswordReceived,true);
        return true;
    }
    return false;
}

使用这种方法不需要序列化，因为联合会处理它。此外，如果需要备份数据副本，复制数据包的语法也很简单。 IE。 PacketType = CommUnion.PacketType;

添加新数据包时。创建一个结构并将其添加到联合中，添加新的枚举字段，并添加一个 case 到 checkfinished switch 语句中，该语句调用该数据包的函数。

这需要库的源代码在我不喜欢的多行上进行更改。

有没有办法以更简单的方式实现类似的功能，需要外部更改而编译的通信结构可以保持不变？

第二种方法（使用函数指针）：

• 摆脱联合。控制结构仍然存在，因为我们需要跟踪当前的数据包类型和读取的字节数、转义等。
• 摆脱枚举方法来创建数据包值。创建函数来为不同的数据包注册检查完成的函数，并像枚举方法一样为它们分配值。 register 函数是一个函数指针数组，用于检查函数。
• 在启动时，所有数据包结构都被初始化。（主程序或项目特定模块的更改不在库中。）
• 然后使用注册功能注册所有数据包。这样，数据包的数量和转义字符的值可以在运行时计算（如果编译器很智能，则可以在编译时计算）。
• 当您压入一个数据字节时，检查完成函数指针用于调用该函数。该函数序列化（或调用此类函数）并在数据包完全接收时处理数据包。

这种方法的好处是创建了数据包的实例（无论哪种方式都需要这样做）并调用寄存器。我觉得需要改变的东西更少，这应该减少人为错误（理想情况下）。

如果有人愿意与我讨论这两种方法的优缺点，或者向我指出一种更精简的做事方式，我将不胜感激。

Answer 1

数据结构设计

使用联合，您必须强制它按位（#pragma pack）以确保数据正确。有了这个修复，我认为联合方法工作得很好，因为我从事过类似的实现

但还有其他事情我会担心。

可变长度数据包

需要有不同的数据包携带可变长度的信息。每种类型的数据包由接收它的处理器以不同的方式解释。

在您忽略尾随位的情况下实现固定长度的数据包会容易得多。如果您使用可变数据包长度，具体取决于您使用的外围设备，但我假设为 UART，您将配置驱动程序以确定何时完全接收数据包（我假设您的 EscapeNext 标志）。否则，您将无法知道收到的数据是否有效。

使用转义标志，您必须确保您的主要有效负载永远不会包含相同的字节数据，否则您的驱动程序会错误地认为数据包已被完全接收。

您可以使用某种类型的外设接收超时来处理可变长度，如果位之间经过了太多时间，则会触发该超时，但是仍然有许多变量可以使用这种类型的实现

** 编辑 如果您仍打算使用可变长度，那么您肯定需要让数据包的一部分表示数据包的长度。

使用 CRC 与使用奇偶校验

要确认数据包的整体完整性，您需要使用 CRC。 CRC 可以确认您的数据包的整体有效性，因为您可能不知道您是否在整个数据包中丢失了一个字节。

奇偶校验只在字节级别使用，由于外围设备不关心它需要发送的数据是否是垃圾，它不会知道它是否把整个数据包搞砸了。

Protip：固定长度的数据包 = 更少的调试时间

使用更快的波特率和固定长度的数据包的好处是不那么复杂，因此调试时间更短。就数据包传输时间而言，这很可能会超过使用可变长度数据包所带来的好处。 在 921k 波特率下，您应该能够每 8 或 9 微秒传输一个字节。 如果您处理的字节数少于 10，那么每个数据包将节省 0.1 毫秒或更短的时间。

Protip：DMA

我不知道您使用的是什么 MCU 或库，但理想情况下，您可以使用固定长度的数据包设置 DMA 并配置 DMA Rx Complete 中断。 DMA 将允许您将字节移动到另一个内存位置，并在它已满时通知您（再次取决于 MCU）。因此需要监控的内容更少，但需要更多的前期配置。