本文描述了基于串口進(jìn)行數(shù)據(jù)幀通信的協(xié)議設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

數(shù)據(jù)幀格式

| 前導(dǎo)碼 | 頭部 | 數(shù)據(jù) | 校驗(yàn) |

• 前導(dǎo)碼: 用于幀同步，通知接收端數(shù)據(jù)幀開(kāi)始
• 頭部: 幀描述信息，包括長(zhǎng)度，幀ID，ACK，版本號(hào)等
• 數(shù)據(jù): 有效載荷
• 校驗(yàn): 對(duì)頭部和數(shù)據(jù)部分的CRC校驗(yàn)

發(fā)送端

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

• 一個(gè)固定長(zhǎng)度的發(fā)送隊(duì)列，例如10個(gè)數(shù)據(jù)幀的鏈表
• 重傳定時(shí)器，取值為一個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)延

執(zhí)行循環(huán):

1. 如果隊(duì)列有空閑空間，取上層應(yīng)用緩存中的數(shù)據(jù)幀發(fā)送，否則
2. 如果重傳定時(shí)器超時(shí)，取發(fā)送隊(duì)列中最老的數(shù)據(jù)幀發(fā)送
3. 如果沒(méi)有數(shù)據(jù)幀可以發(fā)送，取消重傳定時(shí)器，否則，
4. 重置重傳定時(shí)器
5. 發(fā)送前導(dǎo)碼
6. 發(fā)送數(shù)據(jù)幀
7. 發(fā)送校驗(yàn)碼
8. 如果接收到成功答復(fù)，從隊(duì)列中去除該數(shù)據(jù)幀。如果該幀不是隊(duì)列中最老的幀，說(shuō)明發(fā)生幀丟失，立刻觸發(fā)重傳機(jī)制
9. 如果接收到失敗答復(fù)，從隊(duì)列中重傳該數(shù)據(jù)幀，并重置重傳定時(shí)器

設(shè)計(jì)說(shuō)明：

• 發(fā)送隊(duì)列的目的是為了提高發(fā)送速度，不需要嚴(yán)格順序化發(fā)送數(shù)據(jù)包。
• 可以將每個(gè)隊(duì)列看作一條數(shù)據(jù)流，頭部加入流ID后可以支持多條數(shù)據(jù)流，這時(shí)需要一個(gè)調(diào)度器進(jìn)行流量調(diào)整

接收端

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

• 一個(gè)固定長(zhǎng)度的發(fā)送隊(duì)列，例如10個(gè)數(shù)據(jù)幀的鏈表
• 最后接收的幀ID

執(zhí)行循環(huán)：

1. 接收前導(dǎo)碼，并丟棄無(wú)效數(shù)據(jù)，直到發(fā)現(xiàn)有效前導(dǎo)碼。如果一直沒(méi)有發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)碼，返回失敗答復(fù)。
2. 接收頭部，解析長(zhǎng)度信息，并做有效性驗(yàn)證，如果驗(yàn)證無(wú)效，返回失敗答復(fù)。如果在頭部中發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)碼，則認(rèn)為是新的數(shù)據(jù)幀開(kāi)始，重新開(kāi)始接收頭部。
3. 接收數(shù)據(jù)，接收CRC，并作有效性驗(yàn)證，如果驗(yàn)證無(wú)效，返回失敗答復(fù)。如果在數(shù)據(jù)和CRC中發(fā)現(xiàn)前導(dǎo)碼，則認(rèn)為是新的數(shù)據(jù)幀開(kāi)始，重新開(kāi)始接收頭部。
4. 數(shù)據(jù)幀接收完畢，返回成功答復(fù)。
5. 嘗試將數(shù)據(jù)幀加入接收隊(duì)列，如果發(fā)現(xiàn)重復(fù)幀，直接丟棄，否則按幀ID進(jìn)行順序插入。如果該幀是最后一次成功接收的下一幀，則通知應(yīng)用層獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)取走后，更新最后接收幀ID。
6. 如果接收隊(duì)列已滿，則通知發(fā)送端停止發(fā)送，知道有足夠空閑空間再通知發(fā)送端重傳。

設(shè)計(jì)說(shuō)明：

• 接收隊(duì)列的目的跟發(fā)送隊(duì)列類(lèi)似，另外提供基于幀ID的排序功能
• 在整個(gè)接收過(guò)程中持續(xù)檢測(cè)前導(dǎo)碼，避免丟棄有效數(shù)據(jù)幀
• 接收端對(duì)發(fā)送端進(jìn)行抑制，防止上層應(yīng)用接收數(shù)據(jù)不及時(shí)導(dǎo)致發(fā)送端無(wú)效重傳

ACK幀格式

單向數(shù)據(jù)流簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

接收端發(fā)送返回幀時(shí)，通信角色發(fā)生調(diào)換，原來(lái)的接收端變?yōu)榘l(fā)送端，原來(lái)的發(fā)送端變?yōu)榻邮斩恕榱撕?jiǎn)化這個(gè)階段的協(xié)議設(shè)計(jì)，避免重復(fù)執(zhí)行上述流程，可以將ACK幀按照最簡(jiǎn)單形式設(shè)計(jì)，比如僅用1個(gè)字節(jié)來(lái)表示：

|一字節(jié)返回碼|

返回碼取值:

• 0：表示接收端緩存已滿，停止發(fā)送
• -128：表示接收端緩存有空閑，發(fā)送端可以繼續(xù)發(fā)送
• +N: 表示成功接收到幀ID為N的數(shù)據(jù)幀，取值范圍 [1, 127]
• -N: 表示幀ID為N的數(shù)據(jù)幀接收失敗，取值范圍 [-1, -127]

進(jìn)一步說(shuō)明：

• 沒(méi)有前導(dǎo)碼，單個(gè)字節(jié)表述所有信息
• 有效幀ID為 [1, 127]，超過(guò)127后幀ID會(huì)回繞為1。因此發(fā)送和接收端在127邊界處要保證前面的數(shù)據(jù)幀完全傳輸成功后再進(jìn)行回繞處理。

雙向數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)

在雙工模式下，無(wú)法進(jìn)行上述簡(jiǎn)化處理，通信兩端互為發(fā)送端和接收端，此時(shí)ACK可以作為獨(dú)立數(shù)據(jù)幀發(fā)送，也可以?shī)A在有效數(shù)據(jù)幀頭部發(fā)送。

前導(dǎo)碼

如果前導(dǎo)碼在有效數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn)，那么會(huì)被誤認(rèn)為是新的數(shù)據(jù)幀開(kāi)始，從而導(dǎo)致新的數(shù)據(jù)幀以外校驗(yàn)失敗而丟棄，這在一定程度上浪費(fèi)帶寬資源。因此要求前導(dǎo)碼具有唯一性，不允許出現(xiàn)在數(shù)據(jù)幀中。一種做法是在發(fā)送端對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行替換處理，將數(shù)值與前導(dǎo)碼相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式變換。比如前導(dǎo)碼為01010101，那么如果可以將該數(shù)值擴(kuò)展為01010101 01010101，在接收端進(jìn)行反向操作，將01010101 010101替換為01010101。這會(huì)增加協(xié)議處理的消耗，但是提高了帶寬利用率，減少了無(wú)效重傳的消耗。可以在真實(shí)的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試這種機(jī)制的效果如何。