STM32/LPC1778串口FIFO应用指南：自定义协议实现高效数据收发与中断优化

串口通信因其简单可靠、成本低廉的特性，配合RS-485接口更可实现稳定长距离传输，在嵌入式领域应用广泛。随着设备功能日益复杂，系统对实时响应的要求也相应提高。大多数现代微控制器（如ARM7、Cortex-M3系列）的串口模块都集成了硬件FIFO缓冲区。本文将深入探讨如何利用硬件FIFO优化串口通信，在减少接收中断频率的同时，提出一种不依赖发送中断即可提升数据发送效率的实用方法。首先，我们分析传统串口数据收发方式的几点局限性：

1. 中断频繁：每接收到一个字节便触发一次中断，未能有效利用硬件FIFO来合并中断，导致CPU频繁响应。
2. 发送效率低：采用“查询-等待”方式发送数据时，CPU必须等待当前字节完全发送完毕才能处理下一个字节。在低波特率下（如1200bps），发送几十字节将导致CPU长时间空转，浪费宝贵的计算资源。
3. 中断源增加：若采用发送中断方式，虽可解放CPU，但引入了额外的中断源，可能影响系统整体中断管理的稳定性与确定性。
4. 缺乏打包机制：接收到的原始字节流需要高效、可靠地还原为具有实际意义的应用层数据帧。

针对以上问题，本文将结合一个实际的自定义通信协议，提供一套完整的软硬件协同优化方案。

串口硬件FIFO工作机制

串口硬件FIFO（先进先出队列）是专为串口数据流设计的缓存区，通常包含独立的接收FIFO和发送FIFO。

• 接收FIFO：串口接收到的数据首先存入此FIFO。当数据量达到预设的触发水平（如1、4、8、14字节），或虽未达到水平但在一段超时时间（如3.5个字符传输时间）内无新数据到达时，硬件才会产生接收中断通知CPU。
• 发送FIFO：CPU将待发送数据写入此FIFO后，只要FIFO非空，硬件便会自动从中取出数据发送，无需CPU持续干预。单次写入FIFO的深度通常有限制（例如16字节）。

合理配置并利用FIFO，可以大幅减少中断次数，提升通信效率。具体配置参数（如触发深度、超时时间）需参考对应芯片的数据手册。

数据接收与协议帧打包

利用接收FIFO的高触发阈值，可以批量处理数据。以NXP LPC1778为例，推荐将接收FIFO触发级别设置为8或14字节。这样，在连续接收数据时，每积累8或14个字节才产生一次中断，显著降低了中断频率。

接收到的原始字节需要根据既定协议打包成完整的应用数据帧。以下是一个典型的自定义串口通信帧格式示例：

• 帧头：连续3-5个固定同步字节（如0xFF或0xEE）。
• 设备地址：1字节，标识目标设备。
• 命令字：1字节，指示帧的功能。
• 数据长度：1字节，指示后续“数据域”的字节数。
• 数据域：长度可变（0~N字节），承载具体信息。
• 校验和：1字节异或校验或2字节CRC16校验，用于确保数据完整性。本例采用CRC16校验。

下面介绍实现该格式帧打包的通用数据结构与算法。

定义帧打包状态结构体

typedef struct {
    uint8_t *dst_buf;          // 指向最终帧的存储缓冲区
    uint8_t sfd;               // 帧头标志字节（如0xEE）
    uint8_t sfd_flag;          // 帧头匹配状态标志
    uint8_t sfd_count;         // 已连续匹配到的帧头字节数
    uint8_t received_len;      // 当前已接收到dst_buf中的字节数
    uint8_t find_fram_flag;    // 完整帧接收成功标志
    uint8_t frame_len;         // 当前正在处理帧的总长度（通过协议计算得出）
} find_frame_struct;

初始化结构体

此函数应在串口初始化阶段调用。

void init_find_frame_struct(find_frame_struct *p_find_frame, uint8_t *dst_buf, uint8_t sfd) {
    p_find_frame->dst_buf = dst_buf;
    p_find_frame->sfd = sfd;
    p_find_frame->find_fram_flag = 0;
    p_find_frame->frame_len = 10;     // 默认长度，后续会被实际值覆盖
    p_find_frame->received_len = 0;
    p_find_frame->sfd_count = 0;
    p_find_frame->sfd_flag = 0;
}

核心帧打包函数

该函数在每次串口接收中断中调用，处理新到达的原始数据。

uint32_t find_one_frame(find_frame_struct *p_find_frame,
                        const uint8_t *src_buf,
                        uint32_t data_len,
                        uint32_t sum_len) {
    uint32_t src_len = 0;
    while (data_len--) {
        if (p_find_frame->sfd_flag == 0) {
            // 阶段一：寻找帧头
            if (src_buf[src_len++] == p_find_frame->sfd) {
                p_find_frame->dst_buf[p_find_frame->received_len++] = p_find_frame->sfd;
                if (++p_find_frame->sfd_count == 5) { // 假设帧头为5个连续sfd
                    p_find_frame->sfd_flag = 1;       // 进入帧体接收阶段
                    p_find_frame->sfd_count = 0;
                    p_find_frame->frame_len = 10;     // 重置为默认长度
                }
            } else {
                // 匹配中断，状态清零
                p_find_frame->sfd_count = 0;
                p_find_frame->received_len = 0;
            }
        } else {
            // 阶段二：接收帧体
            // 当接收到“数据长度”字节时，计算整帧长度
            if (7 == p_find_frame->received_len) { // 假设长度字节在帧中的位置是第7字节
                p_find_frame->frame_len = src_buf[src_len] + 5 + 1 + 1 + 1 + 2; // 帧头+地址+命令+长度+数据+校验
                if (p_find_frame->frame_len >= sum_len) {
                    // 错误处理：帧长超过缓冲区容量
                    p_find_frame->frame_len = sum_len;
                }
            }
            p_find_frame->dst_buf[p_find_frame->received_len++] = src_buf[src_len++];
            // 检查是否已接收完一帧
            if (p_find_frame->received_len == p_find_frame->frame_len) {
                p_find_frame->received_len = 0;
                p_find_frame->sfd_flag = 0;
                p_find_frame->find_fram_flag = 1; // 设置帧就绪标志
                return src_len; // 返回本次已处理的数据长度
            }
        }
    }
    p_find_frame->find_fram_flag = 0;
    return src_len;
}

使用示例

// 1. 定义状态结构体和帧缓冲区
find_frame_struct slave_find_frame_srt;
#define SLAVE_REC_DATA_LEN 128
uint8_t slave_rec_buf[SLAVE_REC_DATA_LEN];

// 2. 在串口初始化中初始化
init_find_frame_struct(&slave_find_frame_srt, slave_rec_buf, 0xEE);

// 3. 在串口接收中断服务程序中调用（假设tmp_rec_buf存放新数据，rec_len为新数据长度）
find_one_frame(&slave_find_frame_srt, tmp_rec_buf, rec_len, SLAVE_REC_DATA_LEN);

// 4. 在主循环中检查 find_fram_flag，处理完整的帧

基于定时器与FIFO的高效数据发送方案

传统等待发送法效率低下，而发送中断法会增加系统复杂度。一个折中的高效方案是利用系统中已有的定时器中断，配合发送FIFO进行数据搬运。此方法既不独占CPU，也不新增专用中断源。

工作原理：在定时器中断服务函数中，检查是否有数据待发送。若有，则根据发送FIFO的剩余空间，一次性写入多个字节（例如最多16字节）。写入后，硬件自动发送，CPU可立即退出中断处理其他任务。此方案特别适合中等及以下波特率的通信场景（如1200bps ~ 115200bps），定时器周期建议在1ms~10ms之间。

以下以LPC1778和RS-485接口为例给出实现代码（思想通用）。

定义发送管理结构体

typedef struct {
    uint16_t send_sum_len;    // 待发送帧的总长度
    uint8_t send_cur_len;     // 当前已发送的字节数
    uint8_t send_flag;        // 发送任务激活标志
    uint8_t *send_data;       // 指向发送数据缓冲区的指针
} uart_send_struct;

定时器中断中的发送处理函数

#define FRAME_SEND_FLAG 0x5A  // 自定义的发送任务标志
#define SEND_DATA_NUM   12     // 每次中断尝试填充FIFO的字节数（小于等于FIFO深度）

static void uart_send_com(LPC_UART_TypeDef *UARTx, uart_send_struct *p) {
    uint32_t i;
    uint32_t tmp32;

    // 检查UART发送保持寄存器或FIFO是否为空（可接收新数据）
    if (UARTx->LSR & (0x01 << 6)) {
        if (p->send_flag == FRAME_SEND_FLAG) {
            RS485_SET_TX_MODE(); // 宏：设置RS485为发送模式（如控制DE引脚为高）

            tmp32 = p->send_sum_len - p->send_cur_len; // 计算剩余未发送字节数
            if (tmp32 > SEND_DATA_NUM) {
                // 剩余数据较多，填充SEND_DATA_NUM个字节到发送FIFO
                for (i = 0; i < SEND_DATA_NUM; i++) {
                    UARTx->THR = p->send_data[p->send_cur_len++];
                }
            } else {
                // 发送最后一部分数据
                for (i = 0; i < tmp32; i++) {
                    UARTx->THR = p->send_data[p->send_cur_len++];
                }
                p->send_flag = 0; // 清除发送标志，本次发送任务完成
                // 注意：此时不立刻切换回接收模式，等待FIFO发送完毕
            }
        } else {
            // 无发送任务时，确保RS485处于接收模式
            RS485_SET_RX_MODE(); // 宏：设置RS485为接收模式（如控制DE引脚为低）
        }
    }
}

使用示例

// 1. 定义发送结构体和缓冲区
uart_send_struct uart0_send_str;
#define UART0_SEND_LEN 64
uint8_t uart0_send_buf[UART0_SEND_LEN];

// 2. 对发送函数进行硬件层封装
void uart0_timer_send_handler(void) {
    uart_send_com(LPC_UART0, &uart0_send_str);
}
// 将 uart0_timer_send_handler() 函数放入系统已有的定时器中断服务程序中。

// 3. 在应用层需要发送数据时，组织并启动发送任务
void prepare_and_start_tx(uint8_t *data, uint16_t len) {
    // 将数据拷贝到发送缓冲区 (uart0_send_buf)
    memcpy(uart0_send_buf, data, len);
    // 设置发送管理结构体
    uart0_send_str.send_sum_len = len;
    uart0_send_str.send_cur_len = 0;
    uart0_send_str.send_data = uart0_send_buf;
    uart0_send_str.send_flag = FRAME_SEND_FLAG; // 激活发送任务
}

总结

本文详细阐述了在嵌入式开发中利用串口硬件FIFO优化数据收发的综合方案。通过提高接收FIFO触发阈值结合自定义协议帧打包，有效降低了接收中断频率；通过利用现有定时器中断驱动发送FIFO，实现了高效、低CPU占用的数据发送。这套方法为资源受限的嵌入式系统提供了一种提升串口通信效率、增强系统实时响应能力的实用思路，尤其适用于对稳定性和效率有较高要求的工业控制、智能设备等领域。