串口缓冲区管理分析

 

一、 概述：

串口使用时一般包含两个缓冲区，即发送缓冲区和接收缓冲区。发送数据时，先将数据存在发送缓冲区，然后通过串口发送；接收数据时，先将接收的数据存在接收缓冲区，然后再进行读取。

 

合理恰当的使用缓冲区，不仅可以使不同设备间正常通信，而且还有助于节约内存，提高效率。

 

二、缓冲区分配管理：

方法一：

通过内存池实现

 

1、数据结构：

 

struct _CHN_POOL_MGR

{

    u8 buffer[BUF_SZ];

    u32 free_bitmap;

};

 

参数含义：struct _CHN_POOL_MGR：内存池的数据类型

 

buffer：缓冲区，大小为BUF_SZ  192

 

free_bitmap：标志位。

 

注意：缓冲区又分为若干块，每块大小BLK_SZ

 

 

 

free_bitmap标志缓冲区块中的空闲块和被使用块，1表示空闲，0表示被使用

 

 

 

注：阴影部分表示存放着数据

 

free_bitmap初始化为(1 << (sizeof(chn_pool_mgr.buffer) / BLK_SZ)) -1即(1 << (2^10/2^6)) -1，即二进制数11111...11111b，共16个1，缓冲区块全部空闲

 

alloc_a_slot()函数分配缓冲区块：检测free_bitmap值，将空闲的缓冲区块标号较小的块分配，返回分配的缓冲区块的标号

 

free_bitmap值

分配的缓冲区块标号

alloc_a_slot()返回值

1111...111111

0

0

1111...111100

2

2

1111...110010

1

1

1111...000100

2

2

//不是太明白？？？？

 

 

struct _CHN_SLOT

{

    s16 tx; 

    s16 rx;

    /*the current count of this channel */

    s16 data_cnt; 

    s16 data_max;

};

 

参数含义：struct _CHN_SLOT：记录缓冲区读写状态的结构体

 

tx：记录缓冲区块标号和数据的写入位置（具体存放如图所示）

rx：记录缓冲区块标号和数据的读取位置（具体存放如图所示）

 

data_cnt：记录缓冲区中未读取的数据量

data_max：向缓冲区中写入数据时，缓冲区中允许存在的最大数据量

 

 

tx,rx数据含义：

 

 

 

 

 

2，实例分析

 

1）向缓冲区中写数据：

 

向缓冲区中写数据，每次写90个字节，写两次。

 

初始状态：

假设struct _CHN_SLOT结构体中各参数均为初始状态：tx = rx = INVALID_PTR，即(INVALID_BLK_NO << BLK_NO_SHIFT)，data_cnt为0，data_max为UART_MAX_LEN

 

内存池的状态如下：

 

 

写数据：

 

alloc_a_slot()分配缓冲区块：

 

检测free_bitmap，分配缓冲区块标号为2的块；

tx记录缓冲区块标号及写入数据位置（0x80）；

缓冲区块最后一个字节置为INVALID_BLK_NO；

 

变为如下状态：

 

 

写入90个数据：

由于90 > BLK_SZ-1（一个块存放数据的最大字节数），所以再次调用alloc_a_slot()分配缓冲区块

 

检测free_bitmap，分配缓冲区块标号为4的块；

tx记录缓冲区块标号及写入数据位置（0x100）；

缓冲区块最后一个字节置为INVALID_BLK_NO；

此外，还要使标号为2的块的最后一个字节记录下一块的标号（4），最后将剩余的数据写入，tx记录数据位置（0x11B）

 

 

写入完成后，各参数状态如下：

 

 

第二次写入数据：

 

与上面类似，根据tx记录的缓冲区块标号及数据位置继续向后写。

 

 

最终变为如下状态：

 

 

 

 

 

3）从缓冲区中读数据

从缓冲区中读数据，每次读40个，读完为止。

 

假设此时缓冲区状态，及各参数如下：

 

 

 

 

data_cnt为180

 

 

此时开始读取数据，rx记录缓冲区标号及数据位置，成功读取40个数据后变为：

 

 

继续读数据，标号为2的缓冲区块内的数据读完，由该块内最后一个字节得知下一缓冲区块的标号，rx记录，此时，各参数状态如下：

 

 

 

 

继续读取，data_cnt变为0，读取结束。

 

 

小结：

由以上分析可知，使用内存池的方法，通过检测free_bitmap可使缓冲区被多个任务共同使用，节约空间。

 

 

 

方法二：

利用循环队列实现

 

1、数据类型：

struct _CHN_SLOT

{

int tx, rx;

u8 buf[BUFFER_LEN];

};

 

参数含义：

tx：记录缓冲区写入位置

rx：记录缓冲区读取位置

buf：缓冲区

 

 

2、方法实现：

 

每存入一个字节，tx后移一位，每取走一个字节，rx后移一位

 

 

 

当tx移至缓冲区结尾时，若缓冲区头部已读取，则tx会继续在头部存放数据，如下：

 

 

当(rx + 1) % BUFFER_LEN == tx时，缓冲区存满

 

 

 

三、两种方法的比较：

比较内容

方法一

方法二（循环队列式）

使用缓冲区的任务数

允许多任务

只能单任务

空间利用率

高

低

缓冲区的使用顺序

优先使用低地址处的缓冲区块

由低地址到高地址循环使用

不能存放数据的字节数

缓冲区块数

1B

编程复杂度

略微复杂

简单

 

注：方法一不能存放数据的字节数用于记录下一缓冲区块的位置；循环队列式，不能存放数据的字节数用于循环使用缓冲区

 

 

方法一最大的好处在于可同时被多个任务共同使用，互不影响，有助于节约内存；而且每次分配空间时，会优先使用低地址处的空闲块，数据集中，有利于减少内存池的占用；某一任务释放的空间可被另一任务使用，提高了利用率，但编程略微复杂。

 

循环队列式编程简单，容易理解，特别适合单任务的使用，但缓冲区的利用率不是很高，且无法多任务使用。