一、前言

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，與上位機進行串口通信是非常常見的場景。上位機可以通過串口發(fā)送指令或者數據給嵌入式設備，而嵌入式設備需要可靠地接收并解析這些數據，以執(zhí)行相應的操作。然而，在串口通信過程中，上位機發(fā)送數據的速率往往與嵌入式設備接收和處理數據的速率不一致，這就可能導致數據的丟失或者誤解析。

為了解決這個問題，決定設計并實現一個環(huán)形緩沖區(qū)來進行數據接收管理。環(huán)形緩沖區(qū)是一種高效的數據結構，適用于數據產生速率快于消費速率的場景。它具有固定大小的緩沖區(qū)，并且可以循環(huán)利用空間，保證數據的連續(xù)存儲和有效利用。

在本項目中，選擇使用STM32微控制器來實現串口數據接收功能。STM32具有豐富的外設資源和強大的性能，非常適合用于串口通信和數據處理。通過在STM32上實現環(huán)形緩沖區(qū)，可以實現以下目標：

（1）數據穩(wěn)定接收：通過使用環(huán)形緩沖區(qū)，確保即使在接收數據速率慢于發(fā)送速率的情況下，數據也能夠得到穩(wěn)定的接收，避免數據丟失。

（2）數據緩存和管理：環(huán)形緩沖區(qū)可以作為一個數據緩存區(qū)，將接收到的數據暫時存儲起來，以便后續(xù)處理。這樣可以降低數據處理的延遲和復雜性。

（3）數據解析和應用：通過從環(huán)形緩沖區(qū)中讀取數據，并進行解析和處理，嵌入式設備可以根據接收到的數據執(zhí)行相應的操作，如控制外部設備或響應上位機指令。

通過使用環(huán)形緩沖區(qū)管理串口接收的數據，可以實現可靠的數據接收和處理，并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時，該方案也適用于其他嵌入式系統(tǒng)和通信場景。

二、實現思路

（1）定義環(huán)形緩沖區(qū)的結構體：首先，需要定義一個表示環(huán)形緩沖區(qū)的結構體，其中包含以下成員變量：

• 緩沖區(qū)的大?。╟apacity）：表示環(huán)形緩沖區(qū)的容量，即可以存儲的最大元素數量。
• 寫指針（write_ptr）：表示當前可寫入數據的位置。
• 讀指針（read_ptr）：表示當前可讀取數據的位置。
• 數據數組（buffer）：用于存儲實際的數據。

（2）初始化環(huán)形緩沖區(qū)：在使用環(huán)形緩沖區(qū)之前，需要進行初始化。初始化時，將緩沖區(qū)的大小、寫指針和讀指針都設置為初始位置，通常都是0。

（3）寫入數據：當有新的數據要寫入緩沖區(qū)時，需要執(zhí)行以下操作：

• 檢查緩沖區(qū)是否已滿，如果已滿則無法寫入新的數據。
• 將數據寫入當前寫指針所指向的位置。
• 更新寫指針的位置，通常是將其加1，并考慮到環(huán)形特性，需要進行取模運算。

（4）讀取數據：當需要從緩沖區(qū)中讀取數據時，需要執(zhí)行以下操作：

• 檢查緩沖區(qū)是否為空，如果為空則無數據可讀取。
• 讀取當前讀指針所指向的數據。
• 更新讀指針的位置，通常是將其加1，并考慮到環(huán)形特性，需要進行取模運算。

（5）判斷緩沖區(qū)狀態(tài)：為了方便使用和管理緩沖區(qū)，可以實現一些用于判斷緩沖區(qū)狀態(tài)的函數，例如：

• is_full()：判斷緩沖區(qū)是否已滿。
• is_empty()：判斷緩沖區(qū)是否為空。

實現環(huán)形緩沖區(qū)時，需要注意：

• 寫指針和讀指針的位置計算要考慮到環(huán)形特性，即超過緩沖區(qū)容量時需要進行取模運算。
• 緩沖區(qū)大小要合理選擇，根據實際需求確定，以充分利用內存資源并避免數據丟失。
• 多線程或中斷環(huán)境下的并發(fā)訪問要考慮數據同步和互斥操作，以避免競爭條件和數據不一致的問題。

通過以上思路，可以在C語言中實現一個簡單高效的環(huán)形緩沖區(qū)，用于存儲和管理數據，在數據收發(fā)過程中提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

三、 C語言實現驗證思路

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define BUFFER_SIZE 10

typedef struct {
    int* buffer;      // 緩沖區(qū)數組指針
    int size;         // 緩沖區(qū)大小
    int head;         // 頭部索引
    int tail;         // 尾部索引
} CircularBuffer;

// 創(chuàng)建環(huán)形緩沖區(qū)
CircularBuffer* createCircularBuffer(int size) {
    CircularBuffer* cb = (CircularBuffer*)malloc(sizeof(CircularBuffer));  // 分配內存空間
    cb->buffer = (int*)malloc(sizeof(int) * size);  // 分配緩沖區(qū)數據的內存空間
    cb->size = size;   // 設置緩沖區(qū)大小
    cb->head = 0;      // 初始化頭部索引為0
    cb->tail = 0;      // 初始化尾部索引為0
    return cb;
}

// 銷毀環(huán)形緩沖區(qū)
void destroyCircularBuffer(CircularBuffer* cb) {
    free(cb->buffer);  // 釋放緩沖區(qū)數據的內存空間
    free(cb);          // 釋放緩沖區(qū)結構體的內存空間
}

// 判斷環(huán)形緩沖區(qū)是否已滿
int isCircularBufferFull(CircularBuffer* cb) {
    return ((cb->tail + 1) % cb->size == cb->head);
}

// 判斷環(huán)形緩沖區(qū)是否為空
int isCircularBufferEmpty(CircularBuffer* cb) {
    return (cb->head == cb->tail);
}

// 寫入數據到環(huán)形緩沖區(qū)
void writeData(CircularBuffer* cb, int data) {
    if (isCircularBufferFull(cb)) {  // 如果緩沖區(qū)已滿，則無法寫入數據
        printf("Circular buffer is full. Data cannot be written.n");
        return;
    }
    cb->buffer[cb->tail] = data;  // 將數據寫入緩沖區(qū)的尾部
    cb->tail = (cb->tail + 1) % cb->size;  // 更新尾部索引，循環(huán)利用緩沖區(qū)空間
}

// 從環(huán)形緩沖區(qū)讀取數據
int readData(CircularBuffer* cb) {
    if (isCircularBufferEmpty(cb)) {  // 如果緩沖區(qū)為空，則無數據可讀取
        printf("Circular buffer is empty. No data to read.n");
        return -1;  // 返回一個默認值表示讀取失敗
    }
    int data = cb->buffer[cb->head];  // 從緩沖區(qū)的頭部讀取數據
    cb->head = (cb->head + 1) % cb->size;  // 更新頭部索引，循環(huán)利用緩沖區(qū)空間
    return data;
}

int main() {
    CircularBuffer* cb = createCircularBuffer(BUFFER_SIZE);  // 創(chuàng)建大小為BUFFER_SIZE的環(huán)形緩沖區(qū)

    writeData(cb, 1);  // 寫入數據1
    writeData(cb, 2);  // 寫入數據2
    writeData(cb, 3);  // 寫入數據3

    printf("Read data: %dn", readData(cb));  // 讀取數據并打印
    printf("Read data: %dn", readData(cb));

    writeData(cb, 4);
    writeData(cb, 5);

    printf("Read data: %dn", readData(cb));
    printf("Read data: %dn", readData(cb));
    printf("Read data: %dn", readData(cb));

    destroyCircularBuffer(cb);  // 銷毀環(huán)形緩沖區(qū)

    return 0;
}

四、STM32串口接收

#define BUFFER_SIZE 256

typedef struct {
  uint8_t buffer[BUFFER_SIZE];
  uint16_t head;
  uint16_t tail;
} CircularBuffer;

// 初始化環(huán)形緩沖區(qū)
void CircularBuffer_Init(CircularBuffer* cb) {
  cb->head = 0;
  cb->tail = 0;
}

// 判斷環(huán)形緩沖區(qū)是否已滿
bool CircularBuffer_IsFull(const CircularBuffer* cb) {
  return (cb->head + 1) % BUFFER_SIZE == cb->tail;
}

// 判斷環(huán)形緩沖區(qū)是否為空
bool CircularBuffer_IsEmpty(const CircularBuffer* cb) {
  return cb->head == cb->tail;
}

// 向環(huán)形緩沖區(qū)寫入數據
bool CircularBuffer_Write(CircularBuffer* cb, uint8_t data) {
  if (CircularBuffer_IsFull(cb)) {  // 緩沖區(qū)已滿，無法寫入
    return false;
  }
  
  cb->buffer[cb->head] = data;
  cb->head = (cb->head + 1) % BUFFER_SIZE;
  return true;
}

// 從環(huán)形緩沖區(qū)讀取數據
bool CircularBuffer_Read(CircularBuffer* cb, uint8_t* data) {
  if (CircularBuffer_IsEmpty(cb)) {  // 緩沖區(qū)為空，無數據可讀取
    return false;
  }
  
  *data = cb->buffer[cb->tail];
  cb->tail = (cb->tail + 1) % BUFFER_SIZE;
  return true;
}

// 獲取環(huán)形緩沖區(qū)剩余大小
uint16_t CircularBuffer_GetRemainingSize(const CircularBuffer* cb) {
  if (cb->head >= cb->tail) {
    return BUFFER_SIZE - (cb->head - cb->tail);
  } else {
    return cb->tail - cb->head - 1;
  }
}

// 獲取環(huán)形緩沖區(qū)已寫入大小
uint16_t CircularBuffer_GetWrittenSize(const CircularBuffer* cb) {
  if (cb->head >= cb->tail) {
    return cb->head - cb->tail;
  } else {
    return BUFFER_SIZE - (cb->tail - cb->head - 1);
  }
}

// 從環(huán)形緩沖區(qū)讀取指定長度的數據
bool CircularBuffer_ReadData(CircularBuffer* cb, uint8_t* data, uint16_t length) {
  if (CircularBuffer_GetWrittenSize(cb) < length) {
    return false;  // 緩沖區(qū)中的數據不足
  }
  
  for (uint16_t i = 0; i < length; ++i) {
    if (!CircularBuffer_Read(cb, &data[i])) {
      return false;  // 讀取數據出錯
    }
  }
  
  return true;
}

// 向環(huán)形緩沖區(qū)寫入指定長度的數據
bool CircularBuffer_WriteData(CircularBuffer* cb, const uint8_t* data, uint16_t length) {
  if (CircularBuffer_GetRemainingSize(cb) < length) {
    return false;  // 緩沖區(qū)剩余空間不足
  }
  
  for (uint16_t i = 0; i < length; ++i) {
    if (!CircularBuffer_Write(cb, data[i])) {
      return false;  // 寫入數據出錯
    }
  }
  
  return true;
}



// 示例：STM32串口接收中斷處理函數
void USART_Receive_IRQHandler(void) {
  uint8_t data = USART_ReceiveData(USART1);  // 獲取接收到的數據
  if (!CircularBuffer_Write(&rxBuffer, data)) {
    // 緩沖區(qū)已滿，處理錯誤
  }
}

在代碼中，定義了一個名為CircularBuffer的結構體來表示環(huán)形緩沖區(qū)。包含了一個具有固定大小的數組buffer用于存儲數據，以及頭部指針head和尾部指針tail用于管理數據的讀寫位置。

接下來，實現了一些函數來對環(huán)形緩沖區(qū)進行操作。CircularBuffer_Init函數用于初始化環(huán)形緩沖區(qū)；CircularBuffer_IsFull和CircularBuffer_IsEmpty函數分別判斷緩沖區(qū)是否已滿和是否為空；CircularBuffer_Write函數用于向緩沖區(qū)寫入數據；CircularBuffer_Read函數用于從緩沖區(qū)讀取數據。

CircularBuffer_GetRemainingSize函數用于獲取環(huán)形緩沖區(qū)的剩余大小，即還能寫入多少個字節(jié)的數據；CircularBuffer_GetWrittenSize函數用于獲取已經寫入到緩沖區(qū)的字節(jié)數；CircularBuffer_ReadData函數用于從環(huán)形緩沖區(qū)讀取指定長度的數據，將其存儲到提供的數據數組中；CircularBuffer_WriteData函數用于向環(huán)形緩沖區(qū)寫入指定長度的數據，從提供的數據數組中復制相應的字節(jié)。

使用這些方便函數，可以更方便地管理環(huán)形緩沖區(qū)，實現數據的讀取和寫入。

最后，給出了一個示例，展示在STM32串口接收中斷處理函數中將接收到的數據寫入環(huán)形緩沖區(qū)。在中斷處理函數中，通過USART_ReceiveData函數獲取接收到的數據，調用CircularBuffer_Write函數將數據寫入緩沖區(qū)。