STM32进阶之串口环形缓冲区实现

1万 · 2018-6-4 08:36

本帖最后由 caijie001 于 2018-6-4 08:47 编辑

队列的概念
在此之前，我们来回顾一下队列的基本概念：
队列 (Queue)：是一种先进先出(First In First Out ,简称 FIFO)的线性表，只允许在一端插入（入队），在另一端进行删除（出队）。

队列的特点:First In First Out

类似售票排队窗口，先到的人肯定能先买到票，然后先走，后来的人只能后买到票

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1万 · 2018-6-4 08:39

本帖最后由 caijie001 于 2018-6-4 08:42 编辑

队列的常见两种形式

普通队列

在计算机中，每个信息都是存储在存储单元中的，比喻一下吧，上图的一些小正方形格子就是一个个存储单元，你可以理解为常见的数组，存放我们一个个的信息。
当有大量数据的时候，我们不能存储所有的数据，那么计算机处理数据的时候，只能先处理先来的，那么处理完后呢，就会把数据释放掉，再处理下一个。
那么，已经处理的数据的内存就会被浪费掉。因为后来的数据只能往后排队，如过要将剩余的数据都往前移动一次，那么效率就会低下了，肯定不现实，所以，环形队列就出现了。

环形队列

它的队列就是一个环，它避免了普通队列的缺点，就是有点难理解而已，其实它就是一个队列，一样有队列头，队列尾，一样是先进先出（FIFO）。我们采用顺时针的方式来对队列进行排序。
队列头 (Head) :允许进行删除的一端称为队首。
队列尾 (Tail) :允许进行插入的一端称为队尾。

1万 · 2018-6-4 08:45

环形队列的实现：在计算机中，也是没有环形的内存的，只不过是我们将顺序的内存处理过，让某一段内存形成环形，使他们首尾相连。
简单来说，你可以理解为这就是一个数组，只不过有两个指针，一个指向列队头，一个指向列队尾。
指向列队头的指针(Head)是缓冲区可读的数据，指向列队尾的指针(Tail)是缓冲区可写的数据。
通过移动这两个指针(Head) &(Tail)即可对缓冲区的数据进行读写操作了，直到缓冲区已满（头尾相接），将数据处理完，可以释放掉数据，又可以进行存储新的数据了。

1万 · 2018-6-4 08:49

实现的原理：
初始化的时候，列队头与列队尾都指向0，当有数据存储的时候，数据存储在‘0’的地址空间，列队尾指向下一个可以存储数据的地方‘1’，
再有数据来的时候，存储数据到地址‘1’，然后队列尾指向下一个地址‘2’。
当数据要进行处理的时候，肯定是先处理‘0’空间的数据，也就是列队头的数据，处理完了数据，‘0’地址空间的数据进行释放掉，列队头指向下一个可以处理数据的地址‘1’。
从而实现整个环形缓冲区的数据读写。

看图，队列头就是指向已经存储的数据，并且这个数据是待处理的。
下一个CPU处理的数据就是1；而队列尾则指向可以进行写数据的地址。
当1处理了，就会把1释放掉。并且把队列头指向2。当写入了一个数据6，那么队列尾的指针就会指向下一个可以写的地址。

如果你懂了环形队列，那就跟着杰杰来一步步用代码实现吧！！！

1万 · 2018-6-4 08:50

本帖最后由 caijie001 于 2018-6-4 09:01 编辑

从队列到串口缓冲区的实现
串口环形缓冲区收发：
在很多入门级教程中，我们知道的串口收发都是：接收一个数据，触发中断，然后把数据发回来。
这种处理方式是没有缓冲区的，当数量太大的时候，亦或者当数据接收太快的时候，我们来不及处理已经收到的数据，
那么，当再次收到数据的时候，就会将之前还未处理的数据覆盖掉。那么就会出现丢包的现象了，对我们的程序是一个致命的创伤。

那么如何避免这种情况的发生呢，很显然，上面说的一些队列的特性很容易帮我们实现我们需要的情况。
将接收的数据缓冲一下，让处理的速度有些许缓冲，使得处理的速度赶得上接收的速度，上面又已经分析了普通队列与环形队列的优劣了，
那么我们肯定是用环形队列来进行实现了。下面就是代码的实现：

1万 · 2018-6-4 08:50

本帖最后由 caijie001 于 2018-6-4 09:32 编辑

代码的实现
①定义一个结构体：

②初始化结构体相关信息：使得我们的环形缓冲区是头尾相连的，并且里面没有数据，也就是空的队列。

初始化效果如下：

1万 · 2018-6-4 08:50

本帖最后由 caijie001 于 2018-6-4 09:30 编辑

写入环形缓冲区的代码实现：

读取缓冲区的数据的代码实现：

判断缓冲区存储单元长度的内部调用代码实现（预留）

1万 · 2018-6-4 08:50

本帖最后由 caijie001 于 2018-6-4 09:38 编辑

对于读写操作需要注意的地方有两个：
1：判断队列是否为空或者满，如果空的话，是不允许读取数据的，返回FLASE。
如果是满的话，也是不允许写入数据的，避免将已有数据覆盖掉。
那么如果处理的速度赶不上接收的速度，可以适当增大缓冲区的大小，用空间换取时间。

2：防止指针越界非法访问，程序有说明，需要使用者对整个缓冲区的大小进行把握。

那么在串口接收函数中代码实现：

测试main函数代码实现：

测试结果：
测试数据没有发生丢包现象

1万 · 2018-6-4 08:50

本帖最后由 caijie001 于 2019-2-20 08:36 编辑

补充
对于现在的阶段，杰杰我本人写代码也慢慢学会规范了。
所有的代码片段均使用了可读性很强的，还有可移植性也很强的代码。
我使用了宏定义来决定是否开启环形缓冲区的方式来收发数据，
移植到大家的代码并不会有其他副作用，只需要开启宏定义即可使用了。