PC机与嵌入式设备通信协议设计原则

PC机与嵌入式设备通信协议设计原则

嵌入式设备在运行中需要设置参数，这个工作经常由PC机来实现，需要为双方通信设计协议，有代表性协议是如下三种：

表1 三种常见通信协议

名称	固定二进制	变长二进制	纯文本协议
代表	DL645	ASN.1	XML
实例	Vog:4Bytes Cur:4Bytes	01 04 Vol 02 04 Cur	Vol=100V, Cur=5A
适合场合	长度内容固定 单帧数据较短	提供数据模型 长度灵活可变	数据内容、长度、 交换格式不受限
优点	编解码简单，效率高，占用内存少	长度灵活，可以实现嵌套	可读性极佳，十分灵活，跨平台
缺点	可读性差，长度 受限，不易扩展	可读性较差， 编解码较复杂	占用内存多，编解码耗时

从上表可以看到，一般嵌入式设备内存和运算性能都有限，因此固定二进制是首选通信协议。

一．  简单性

保证协议是一个简单的方案，晦涩难懂往往意味着实现困难和容易出错。协议的结构宜采用平面方式，每个域作用明确，数据域尽可能设计得长度和位置固定，注释详尽，文档清晰，实例丰富，让人尽快上手和理解。

协议一般都需要以下域：帧头，长度，帧类型，目标地址，源地址，数据，校验，帧尾。

二．  可扩展

必须保证将来增加功能和更改硬件后协议仍能胜任工作，这往往是通过预留空间来实现，协议的变更应该只是量的增加，不至于引起协议结构的变化。

三．  低耦合

理想情况下每个协议包是原子信息，即本协议包不与其他协议包牵连，以防止通讯丢帧和设置牵连带来的错误。

四．  稳定性

协议包长度适宜：太小包含的信息过少，协议包的种类繁多，容易引起通讯混乱和牵连错误；太大包含的信息过多，可读性较差，组帧和解帧的工作困难，还会带来通讯易受干扰的缺陷，一般协议长度以最小原子性信息为标尺。

协议必须包括校验机制，以便于接收方判别协议包正确完整接收，如果出错需要较好的机制来确保通讯成功（如重传）。

五．  高效率

按信息类型区分协议包类别，如：设置网络信息参数，设置当前运行参数，可以区分开来，方便程序处理。

将同种操作编码为一个子集是一种高效手段，如Read操作，编码为0x0010，Write操作，编码为0x0020。

数据尽可能设计成同构模式，如果实在有差异，至少将同类型数据放置在一起，这样程序可以充分利用指针和线性寻址加速处理。

六．  易实现

尽量减少复杂算法的使用，如，通讯链路稳定，数据帧的校验码可以由CheckSum代替CRC。除非资源非常紧张，否则不要将过多的信息挤压在一个数据里，因为它会带来可读性差和实现困难。

七．软件开发

尽可能地让硬件ISR完成驱动工作，不要让“进程”参与复杂的时序逻辑，否则处理器将步履蹒跚且逻辑复杂！如：

接收固定长度的数据帧，可以使用DMA，每接收完一帧DMA_ISR向进程发消息。小心处理DMA断层异常（接收的数据帧长度正常但数据错误，数据为上帧的后半部分+本帧的前半部分）。

接收不定长的数据帧，可以使用状态机，当接收到“帧尾数据”时向进程发消息。小心数据紊乱和超时异常（数据紊乱时需要将状态机及时复位，超时一般使用定时器监控）。

八. 考虑硬件

如果通信链路是高速总线（如SPORT可达100Mbps），一般设计成一帧产生一次中断，它通过长度触发的DMA来实现，需要将协议设计成固定长度，如附录A。它具备高效率，但灵活性较差。

如果通信链路是低速总线（如UART一般100kbps），一般接收一字节产生一次中断，可以将协议设计成变长帧，如附录B。它具备高灵活性，但效率较低。

 

附录A 一个基于DMA传输固定长度的协议实例。

图1显示了PC发送数据帧的格式，总长为64字节，是4字节的整倍数，符合绝大部分32位处理器结构体对齐的特性。

0x3C：INT8U，帧头，可见字符’<’

Len：INT8U，本帧的总数据长度，在图4即为64

Dst：INT8U，标识目标设备的ID号

Src：INT8U，标识源设备的ID号

Data：56字节的存储区，内容依赖于具体的通信帧（实例见表2）

Cmd：INT16U，数据帧的类别

CS：INT8U, 对它前面所有数据（62字节）进行8位累加和校验

0x7D：INT8U, 帧尾，可见字符’｝’

图1 PC发送数据帧

表2  Data域数据结构实例

目的	给M&M08配置IEC61850协议通用部分
命令字	0x0010/0x0020/0x0030(1/2/3MU)
名称	字节	单位	说明
目标MAC	6	/	发送数据包的目标MAC地址
源MAC	6	/	发送数据包的源MAC地址
VLAN	4	/	0表示不添加，其他为VLAN值
通道映射	32	/	源数据映射到ASDU的数据集
APPID	2	/	应用标识符
ASDU数	1	/	应用服务数据单元个数
数据域总长度	51	/	不能超过图1数据帧的Data总长

 

附录B 一个基于变长格式的UART通信协议实例。

PC与iWL880A（一种无线通信产品，详见www.rimelink.com）通信帧采用变长格式，如下图所示。大部分设备（常见为PC机）对于接收以“回车符”的机制很好处理，协议中的Tail就等于0x0D(换行符)。