arduino笔记37：nrf24l01的数据缓冲区(TX FIFO、RX FIFO)

 

 

从本节开始，关于nrf24l01使用，我只会讲和【Enhanced ShockBurst（ 增强型短时猝发工作模式 ）】有关的内容

【Enhanced ShockBurst】就是前面屡次提到的【自动回复】工作模式的官方称呼。

所以那种使用PTX/PRX身份互换而实现双向通信的方式就不会做太多涉及了，因为这两种模式对模块的使用差别非常大，交叉写的话可能会对初学的同学造成困扰，对期待这部分内容的同学表示抱歉。

而其实，对于PTX/PRX身份互换双向通信的方式，当你对通信可靠性(丢包/确认/超时/重发)有很高要求时，仔细考虑一下，你会豁然发现，这些要求不早就在【Enhanced ShockBurst】中得到满足了嘛！

 

上一节在描述状态迁移条件时，简单提过nrf24l01内部数据缓冲区的问题，这节正式讲解一下：

 

 

上面这个图就是缓冲区的框图。

可以看到，nrf24l01既有 发送缓冲区 TX FIFO ，也有 接收缓冲区 RX FIFO 。

FIFO意思是先入先出队列，一个数据结构的概念，不多说，不了解的可以搜索引擎之。

 

首先需要说明的是：
仅就数据无线传输这个功能来说，数据缓冲区并不是必要的，这个东西仅仅是为了缓解SPI接口和射频模块之间数据传输速度差距巨大的问题而存在的。

就算不给nrf24l01设计这两组缓冲区，无线传输照样可以实现。

实际上，我相信绝大多数人在使用nrf24l01进行双向通信的时候，根本没把【 数据缓冲 】的这个功能利用上：
发一包 --> 收一包 --> 再发一包 --> 再收一包 【你中枪了没？】

 

不管是发数据还是收数据，我们的程序其实只和T X/RX FIFO 打交道：
发送数据时，程序通过SPI指令将数据写入TX FIFO，启动发送后，nrf24l01再从TX FIFO中取出数据发送出去；
接收数据时，nrf24l01先将收取到的数据存入RX FIFO，程序通过IRQ获知有数据之后，通过SPI指令将RX FIFO中的数据读取出来；

 

从上面的框图中可以看出：
每32字节组成一个缓冲区单元；
TX/RX FIFO 各有3个缓冲区单元，理论上一次性可以最多存储96字节的待发送/待接收数据；
TX FIFO 和 RX FIFO是各自独立的，你存你的，我存我的，互不影响；
TX/RX FIFO是一个环形先入先出队列，3个单元没有编号，地位完全相同；

 

那么，我们在写程序的时候，如何才能操作TX/RX FIFO呢？

所谓对TX/RX FIFO的操作，可以划分为两大类：

• 读写类操作，包括如何给TX FIFO写入数据，如何从RX FIFO读出数据，如果数据不想要了如何清空FIFO中的数据等等
• 查询类操作，包括FIFO中是否存在有效数据，FIFO是否已经写满，是否还有空余位置，RX FIFO某单元中有效数据来自哪个pipe，32字节里有多少是有效数据等等

为了实现以上各类操作，nrf24l01给我们提供了丰富的手段：

为读写类操作提供了好几条专用的SPI指令；

专门设计了几个寄存器，用来记录FIFO的相关状态，通过读寄存器指令 R_REGISTER 来读出寄存器的值，从而获取这些状态；

 

 

 

上面这张表是nrf24l01提供的所有的SPI指令，我把但凡在FIFO操作中能用到的指令全部标了出来。

可以看到，SPI指令表中绝大部分都是和FIFO有关的。

下面逐个讲解一下，会穿插提到一些相关寄存器：

 

【------------W_TX_PAYLOAD / W_ACK_PAYLOAD-----------】

这两条指令是TX FIFO写入数据的专用指令，W_TX_PAYLOAD是PTX专用的，W_ACK_PAYLOAD是PRX专用的，不要用错。
指令后面附带要写入TX FIFO的数据，数据长度1字节到32字节都可以。

程序无需特意告诉nrf24l01写入的数据有多长，指令结束之后(指CSN拉高之后)，模块自然就知道了数据长度。

每执行一条写入指令，不管你每次写入1字节还是32字节，都会消耗一个FIFO单元，所以最多执行3次写入指令，TX FIFO就写满了，极端情况下，你每次写入1字节，执行3次，那么整个96字节的TX FIFO实际只包含3字节有效数据。

TX FIFO写满之后，再执行写入指令，操作无效。

由于FIFO的特性，写满FIFO之后，发送数据时，哪份数据先被写入，哪份数据先被发送。

当nrf24l01确认某个FIFO单元的数据发送完成之后，会删除对应的FIFO内的数据，此单元被清空，可以再次执行指令写入新数据。（在自动回复模式下，这里的" 发送完 成"不是单单指数据从射频模块发出去了，必须收到对端的确认信息之后才算发送完成，这个后面章节会提到）

 

注意 W_ACK_PAYLOAD 指令里面还有个PPP的参数，在前面章节【5. 地址和数据通道】中提过PRX总共有6个data pipe，PPP就是用来告诉PRX【这份数据是发给哪个通道的】，PPP取值范围是000-101，分别对应pipe0-pipe5，PPP必须填对才能保证数据被发送到正确的对端上，哪怕是简单的一对一通信。

 

假设我们要写入6字节的数据，那么SPI的时序应该是：

 

 

 

特别说一下命令结束时CSN拉高的问题：
CSN拉高的时机是我们的程序主动控制的，有多少数据要写入，程序肯定是知道的；
命令字节输出完毕，开始输出数据字节时，程序自己要数数统计；
每输出一个数据字节就要加1，当数量够了之后，程序就要主动拉高CSN；

nrf24l01根据CSN拉高的时机，就能知道此次一共写入了多少数据。

 

【------------FLUSH_TX-----------】

FLUSH_TX负责将TX FIFO中的数据" 一键清空" 。PTX和PRX均可使用。

这个指令不需要任何参数，所以附带任何数据字节，只给nrf24l01发送一个命令字即可。
这条指令一般在【模块初始化】或【重置通信】的场景中使用。

 

【------------REUSE_TX_PL-----------】

这条指令为 PTX专用指令 ，指示模块复用一下上次成功发送出去的数据包(包=数据+地址+校验+...)。单命令字，无需任何数据。
设想这样一种场景：我们有一个无线手柄和一辆无线遥控小车，手柄作为PTX，小车作为PRX。手柄发送一些固定格式的数据指示小车做一些动作。
某时候手柄需要小车多次重复做一个动作，程序细节上就是让手柄上的nrf24l01(PTX)反复的发送同一份数据给小车(PRX)。
要知道，当TX FIFO中的数据成功发送给对端之后，FIFO中的数据就会被移除，所以 程序想再发送一次同样数据的话 ，有2种做法：

• 重新通过 W_TX_PAYLOAD 再写一次同样的数据进去，然后操作CE启动发送。
• 使用 REUSE_TX_PL 将刚才发送过的数据包再用一下，然后操作CE启动发送。

由于 REUSE_TX_PL 不需要附带额外数据，只需一字节的命令字即可，所以 方法2的效率大大高于方法1 ，发送的数据越长(当然最长不能超过32字节)，差距越大。
但是如果 FLUSH_TX 和 W_ACK_PAYLOAD 中有任意一个被执行过，那么 REUSE_TX_PL 就立即失效了，除非再次发送数据成功。

 

【------------FLUSH_RX-----------】

类似FLUSH_TX，只不过清空的是RX FIFO，不多说。PTX和PRX均可使用。

 

【------------R_RX_PAYLOAD / R_RX_PL_WID-----------】

这两条指令也是【PTX和PRX均可使用】，互有关联，所以放在一起讲。

R_RX_PAYLOAD 是从nrf24l01的RX FIFO中读取有效数据， R_RX_PL_WID 是查询当前这份数据的有效长度。

不管是PTX还是PRX，当nrf24l01收到对端发来的数据，检查无误后，会将数据存储到RX FIFO中，然后通过IRQ通知我们的程序。

由于一包数据里有效数据最长就是32字节，所以只会消耗RX FIFO中的一个存储单元，如果这包数据只有1字节，也会占用一整个FIFO单元。

 

这里需要注意：

如果我们的程序反应比较慢，没有及时将RX FIFO中的数据取走的话，RX FIFO有可能被后续新来的数据塞满。
如果RX FIFO没有可用的空闲单元了，那么nrf24l01不会再收取新的数据包，直到RX FIFO再次出现空闲的存储单元。

IRQ只是告诉程序有数据到了，但我们的程序此时并不知道这份数据有多少字节，所以真正发 R_RX_PAYLOAD 命令读取数据之前，还要必须首先发送 R_RX_PL_WID 来获取数据的长度信息。

 

 

 

长度拿到之后，就可以使用 R_RX_PAYLOAD 命令将数据读出来了：

这张图是和上面那张TX FIFO写入时序图是对应的。

对方写TX FIFO时数据字节顺序是什么样的，我方读RX FIFO时数据字节顺序就是什么样的。

CSN拉高的时机和前面类似，由程序自己统计读进来的字节数，数够了之后，主动控拉高CSN。

 

对于PTX来说，它只能和一个PRX通信，所以PTX的RX FIFO中的数据确定无误就是来源于那个唯一的PRX。

但是对于PRX来说却不是这样，PRX最多可以有6个pipe来监听数据，每个pipe对应一个PTX节点。

只知道数据长度的话，还是不能确定这份数据到底来自哪个PTX节点，所以还必须要知道这份数据来自哪个pipe。

当然，如果你的应用场景就只是PTX/PRX一对一通信，那么pipe编号没没必要知道了。

 

通过前面章节可知，PRX在收取数据的时候是知道来自哪个pipe的，所以PRX将数据存入RX FIFO后，会将这个pipe的编号存入STATUS寄存器中。

 

想要拿到STATUS的值，一共3种方法，任选其一:

• 使用常规的读寄存器命令 R_REGISTER ，读取 STATUS 寄存器的值
• 使用专用的 NOP 命令获取 STATUS， 比方法1快
• 由【7. nrf2401模块的接口】可知，无需刻意获取 STATUS，当发送 R_RX_PL_WID 命令的时候，STATUS就顺便拿到了

总结一下RX FIFO的读取过程：
PTX读取数据： 获取数据长度 ---> 实际读取数据
PRX读取数据： 获取数据长度 ---> 获取数据来自哪个pipe ---> 实际读取数据

 

【------------R_REGISTER-----------】
状态查询类的操作，除了 STATUS 寄存器的获取方式多样化之外，其余状态的获取就只能通过 R_REGISTER 来实现了。
nrf24l01把TX/RX FIFO的当前状态集中存储在了名为 FIFO_STATUS 的寄存器中：

 

 

 

限于篇幅，每一个位段的含义就不展开了，图上的注释栏写的很清楚，大家自己阅读。

任何一个可以导致TX/RX FIFO发生变化的事件:
比如读写FIFO、清空FIFO、数据已发送成功、收到新数据等等，都会触发 FIFO_STATUS 的刷新。
我们的程序只要在需要的时候读取一下这个寄存器，就能全程实时掌握TX/RX FIFO的最新状态。
写程序的时候要根据需要灵活运用。