本帖最后由 dukedz 于 2018-6-5 18:55 编辑
首先 串口 的流控大家应该都有所了解，通常是硬件 CTS/RTS 或软件 XON/XOFF 这两种流控方式，然而因为 RS485 是总线形式，所以传统的方法都不再适用。
有人会觉得奇怪，貌似从来没有考虑过 RS485 流控的问题，没错，传统 RS485 都是一收一发，用不着考虑流控，然而这种一收一发的效率比较低，譬如在 IoT 火热的今天，如果用 RS485 来传输网络数据，那么传统的做法就很低效了。
然后，针对数据完整性确保的问题，很多同行都没有留意到一个细节问题，他们通常判断是否收到回复 OK 的数据包，如果没收到数据包就超时重发一次。
这种做法大多情况都没有问题，但是某些场景，譬如发送一个命令让滑轨左移 10mm, 滑轨成功接收命令并返回 OK, 然而主机因为干扰等各种问题没有收到滑轨的回复，那么重发命令就会导致滑轨错误左移 20mm.
当然你可以说目前用到的设备都是绝对位置控制，不会有影响，但万一哪天新做一个设备，到那时再改协议，难道就不考虑兼容自己以往的产品了吗？
<small>当然还是有很多朋友有注意到这个问题，本文使用的解决方法原理上跟这些朋友也是相同的。</small>
我接下来提出的方案最大的亮点是共用同一套机制，同时解决了流控、数据完整性确保、大数据分包等功能，而且比较高效和简单。
<br>
同样，最底层的协议我们依然使用 CDBUS, 因为它比较简单，又支持硬件增强（可以主动避让冲突，实现多主机、对等通讯、主动上报数据等功能），能最大程度体现出本文方法的性能优势。
你可能没有听过 CDBUS 这个名字，但你可能曾经或正在使用相似的协议，它的组成包含 3 个部分：
- 3 个字节的头：「源地址，目标地址，用户数据长度」
- 0~255 字节的用户数据（因为数据长度用 1 个字节表示）
- 2 个字节的 CRC 校验，涵盖整个数据包，校验算法同 ModBus.
数据包与数据包之间要有一定的空闲时间，来隔开不同的数据包，详细请参见 CDBUS 的协议定义：
https://github.com/dukelec/cdbus_ip
譬如地址 0x00 为主机，0x01 为 1 号从机，那么主机发送两个字节数据 0x10 0x11 给 1 号从机的完整数据为：
[00 01 02 10 11 49 f0]
然后 1 号从机回覆单个 0x10 给主机：
[01 00 01 10 04 b8]
<br>
然而 CDBUS 只是最底层的协议，接下来我们要定义上述用户数据的格式，最简单常用的方式就是首字节为命令号，然后后面跟可选命令参数；
回覆数据第一个字节通常为状态，然后是返回的数据。
这种方式完善之后也有一个名字，叫 CDNET, 它的定义在：https://github.com/dukelec/cdnet
（本文的内容这个连接都有包含，但本文会更加通俗的讲解一下关键细节。）
CDNET 协议有 3 个级别，由首字节的高两位决定：
| Bit7 | Bit6 | 描述 |
|------|------- |---------------------------------------------------------------|
| 0 | x | Level 0: 上述最简单的形式 |
| 1 | 0 | Level 1: 支持跨网、组播、流控等高阶功能 |
| 1 | 1 | Level 2: 裸数据模式，支持大数据拆包，譬如传输 IPv4/v6 数据包 |
实际使用根据情况自由选择某一个或某几个来用就好。
#### Level 0 格式
##### 请求
首字节：
| 位 | 描述 |
|-------- |---------------------------------------------------|
| [7] | 等于 0: Level 0 |
| [6] | 等于 0: 请求 |
| [5:0] | dst_port, 范围 0~63 |
CDNET 的端口号可以看做类似电脑的 UDP 端口，也可以看做是一个命令号。
第二字节及其后：命令参数
##### 回复
首字节：
| 位 | 描述 |
|-------- |---------------------------------------------------|
| [7] | 等于 0: Level 0 |
| [6] | 等于 1: 回复 |
| [5] | 1: [4:0] 存放用户数据；0: 不使用 |
| [4:0] | 不使用或用户数据，数据必须 ≤ 31 |
例如: 回复 `[0x40, 0x0c]` 和回复 `[0x6c]` 是相同的意思。
```
0x40: 'b0100_0000
0x0c: 'b0000_1100
----
0x6c: 'b0110_1100
```
首字节的用户数据（如果有）、第二个字节及其后：回复的状态 和/或 数据。
#### Level 1 格式
首字节：
| 位 | 描述 |
|-------- |---------------------------------------------------|
| [7] | 等于 1 |
| [6] | 等于 0 |
| [5] | MULTI_NET （跨网） |
| [4] | MULTICAST （组播） |
| [3] | SEQUENCE （序列号） |
| [2:0] | PORT_SIZE （端口大小设置） |
##### MULTI_NET & MULTICAST
| MULTI_NET | MULTICAST | 描述 |
|-----------|-----------|-----------------------------------------------------------------------------------|
| 0 | 0 | Local net: 本地网络，不追加数据 |
| 0 | 1 | Local net multicast: 追加 2 字节 `[multicast-id]` 组播号 |
| 1 | 0 | Cross net: 追加 4 字节: `[src_net, src_mac, dst_net, dst_mac]` |
| 1 | 1 | Cross net multicast: 追加 4 字节: `[src_net, src_mac, multicast-id]` |
这个与本文主题无关，就不展开了。
##### SEQUENCE
0: 无序列号;
1: 追加 1 字节序列号 `SEQ_NUM`, 这个是重点，稍后会主要说明。
##### PORT_SIZE:
| Bit2 | Bit1 | Bit0 | SRC_PORT | DST_PORT |
|------|------|--------|---------------|---------------|
| 0 | 0 | 0 | Default port | 1 byte |
| 0 | 0 | 1 | Default port | 2 bytes |
| 0 | 1 | 0 | 1 byte | Default port |
| 0 | 1 | 1 | 2 bytes | Default port |
| 1 | 0 | 0 | 1 byte | 1 byte |
| 1 | 0 | 1 | 1 byte | 2 bytes |
| 1 | 1 | 0 | 2 bytes | 1 byte |
| 1 | 1 | 1 | 2 bytes | 2 bytes |
注:
- 默认端口通常定为 `0xcdcd`, 所以不用额外追加字节.
- 追加的字节按顺序，先是 `src_port` 再是 `dst_port`.
#### Level 2 格式
首字节：
| 位 | 描述 |
|-------- |---------------------------------------------------|
| [7] | 等于 1 |
| [6] | 等于 1 |
| [5:4] | FRAGMENT（大数据分包） |
| [3] | SEQUENCE（序列号） |
| [2:0] | User-defined flag |
##### FRAGMENT:
| Bit5 | Bit4 | DST_PORT |
|------|--------|-----------------------|
| 0 | 0 | Not fragment |
| 0 | 1 | First fragment |
| 1 | 0 | More fragment |
| 1 | 1 | Last fragment |
注:
- 使用分包功能的时候必须同时选择使用 `SEQUENCE`.
- 开始分包的时候 `SEQ_NUM` 不需要归零.
<hr>
一般情况下，要求不高，使用最简单的 Level 0 格式就好了，如果命令比较多，那么就可以用 Level 1 格式，用不到的功能不用理会即可。
Level 1 没有大数据分包功能，因为通常 MCU 也用不到那么大的数据包，即使是烧录代码这种要传大数据的功能，也是可以在命令内部定义地址和数据长度的，譬如我的 STM32 总线代码升级的命令定义：
```
// flash memory manipulation, port 11:
// erase: 0xff, addr_32, len_32 | return [] on success
// read: 0x00, addr_32, len_8 | return [data]
// write: 0x01, addr_32 + [data] | return [] on success
```
而 Level 2 譬如可以用来传 IPv4/v6 数据包，那么就不得不加入拆包的功能了。因为 Level 1 和 Level 2 的序列号部分是一样的，所以接下来就混在一起讲了。
CDBUS 协议将前 0~9 保留专用，10 及其后的用户可以随便用，保留的部分目前也就用了 4 个，而且也不是强制的，用户愿意实现就实现，不用或者自己想怎么用就怎么用也没问题。
上篇**说了端口或命令 0x01 是用来查询设备信息的，命令 0x03 是用来设置地址的，还详细说了如何使用这两个端口来实现地址自动分配，剩下两个端口其中 0x02 是用来设置波特率的，
对于本文最关键的端口 0x00 是用于流控、完整性确保、大数据拆包的了，其定义如下：
##### Port 0
配合 Level 1 和 2 头中的 `SEQUENCE` 字段使用。
命令启用 `SEQUENCE` 后追加的对应字节 `SEQ_NUM[6:0]` 的低 7 位会每次自动加 1.
而 `SEQ_NUM` 的第 7 位用来指示接收方是否要报告状态。
Port 0 本身的命令不可以启用 `SEQUENCE`.
Port 0 命令定义:
```
主动读目标的 SEQ_NUM:
Write []
Return: [SEQ_NUM] (如果没有记录 bit 7 置 1)
主动设置目标的 SEQ_NUM:
Write [0x00, SEQ_NUM]
Return: []
目标回复 SEQ_NUM:
Write [SEQ_NUM]
Return: None
```
实际示例:
(`->` 和 `<-` 是端口层的数据流, `>>` 和 `<<` 是 CDNET 数据包层面的数据流，不含最低层的 CDBUS 的部分)
```
设备 A 设备 B 描述
[0x00, 0x00] -> Port0 首次通讯设置对方的 SEQ_NUM
Default port <- [] 设置成功返回
[0x88, 0x00, ...] >> 开始发送数据
[0x88, 0x01, ...] >>
[0x88, 0x82, ...] >> 这次的数据标注了需要回复 SEQ_NUM @2
[0x88, 0x03, ...] >>
[0x88, 0x04, ...] >>
Port0 <- [0x03] 回复 SEQ_NUM @2 （每成功接收一个包计数加 1, 回复当前计数 0x03）
[0x88, 0x85, ...] >> 标注了需要回复 SEQ_NUM @5
Port0 <- [0x06] 回复 SEQ_NUM @5
```
效率提升的重点就在这里，我们可以自行选择多久回复一次，而不是每次都要回复状态，如果最后一次数据包没有标注需要回复，那么会引发超时，然后主动读一次目标的 SEQ_NUM 以做同步。
之所以引发超时，是因为所有发出的数据包都不能立刻释放，要等确认对方收到才会释放，以防需要出错重传。
因为有 SEQ_NUM 号，所以即使同一个命令重复发送，对方也会只执行一次。
流控的功能也包含在内，譬如发送方时刻只允许最多 6 个数据包没有释放，那么等收到回复，释放掉 3 个，再发送 3 个数据包，这样可以最大化的利用总线带宽。
而且万一有多方发送数据至同一个节点，发送方也可以因频繁超时，来动态降低最大允许 pending 的数据包数量。
再来说大包拆分，也是很简单，拆分包有 3 个标记，分别是起始、继续、结束，譬如一个大包拆开了 4 个小包，且如果当前 SEQ_NUM 为 23，那么这四个小包的 SEQ_NUM 和标记对应关系就是：
```
23: 拆分启始标志
24: 继续
25: 继续
26: 结束
```
这样接收方也就很容易的把四个小包还原成原始的大包，万一出问题，也只是重新传输错掉或丢掉的包（及其后的包）。
为了简便，对于 CDNET 协议，并不是丢一个包就只重传一个包，其后传的包也需要重传，因为接收方只是简单判断序号，不对便拒绝接收，这么做是为了保持简单，毕竟错包、丢包的概率很低。
<br>
最后，想说的是，这篇**的内容都是经过实践检验的，我有用来传输摄像头视频，DEMO 可以在这篇介绍**中看到：https://github.com/dukelec/cdbus_doc/blob/master/intro_zh.md
协议的实现部分代码也是开源的，就是上面的 CDNET 连接，另外有一些使用 CDNET 的示例代码，譬如这个 STM32F103 的步进电机控制器：https://github.com/dukelec/stepper_motor_controller
当然，这些代码、库我也会进一步优化改善。
<br>
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
这里贴的格式有些乱，原文地址：http://blog.dukelec.com/rs485-flow-control-and-ensure-data-integrity-zh |
楼主
标题置顶
标题高亮
