单片机基础核心知识点汇总（二十九）

目录

前言

一、串口通信最大痛点：粘包与分包

1、什么是分包

2、什么是粘包

二、工业通用串口帧协议格式

三、串口底层架构：环形缓冲区

四、状态机帧解析（解决粘包分包核心）

五、串口空闲中断（判定帧结束）

[六、CRC16 校验代码（工业标准）](#六、CRC16 校验代码（工业标准）)

七、业务解耦：协议层与业务层分离

八、串口工程九大踩坑总结

[九、RTOS 架构升级版](#九、RTOS 架构升级版)

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前言

在所有嵌入式通信中，串口 USART 是使用最多、BUG 最多、最需要工程架构的通信方式。

新手串口写法：

• 收到数据立刻处理
• 裸字节判断、无帧结构
• 遇到粘包、断包直接解析错乱
• 无校验、无超时、无容错
• 协议和业务耦合，完全无法迭代

量产设备必须拥有标准帧协议 + 环形缓冲区 + 状态机解析 + 超时容错架构。

本篇手把手搭建工业级串口协议栈，解决：粘包、分包、干扰乱码、超时断帧、CRC 校验、自动容错，裸机 / RTOS 通用。

一、串口通信最大痛点：粘包与分包

1、什么是分包

一帧数据被分多次接收 比如一帧 100 字节，分 3 次进串口缓冲区

2、什么是粘包

多帧数据粘在一起一次性收到 两三条指令粘成一坨，直接解析错误

解决核心：必须基于「完整数据帧」解析，不能单字节处理业务

二、工业通用串口帧协议格式

帧头2字节 + 长度1字节 + 命令1字节 + 数据域 + CRC16校验2字节 + 帧尾

常用标准格式：

• 帧头：0xAA 0x55
• 数据长度：有效数据长度
• 命令码：区分不同功能
• 数据域：自定义参数
• CRC16：校验整条数据
• 帧尾：可选

优势：

• 不怕乱码、不怕丢字节
• 精准区分每一帧
• 错误帧直接丢弃、自动容错

三、串口底层架构：环形缓冲区

固定数组容易溢出、丢数据，量产全部用环形 FIFO

#define USART_BUF_LEN 256
typedef struct
{
    uint8_t buf[USART_BUF_LEN];
    uint16_t w_index;
    uint16_t r_index;
}usart_fifo_t;

usart_fifo_t g_usart_fifo;

//入队
void usart_fifo_push(uint8_t dat)
{
    uint16_t next = (g_usart_fifo.w_index + 1) % USART_BUF_LEN;
    if(next != g_usart_fifo.r_index)
    {
        g_usart_fifo.buf[g_usart_fifo.w_index] = dat;
        g_usart_fifo.w_index = next;
    }
}

//出队
uint8_t usart_fifo_pop(uint8_t *dat)
{
    if(g_usart_fifo.r_index == g_usart_fifo.w_index)
        return 0;
        
    *dat = g_usart_fifo.buf[g_usart_fifo.r_index];
    g_usart_fifo.r_index = (g_usart_fifo.r_index + 1) % USART_BUF_LEN;
    return 1;
}

//获取缓存数量
uint16_t usart_fifo_cnt(void)
{
    return (g_usart_fifo.w_index - g_usart_fifo.r_index + USART_BUF_LEN) % USART_BUF_LEN;
}

中断里只做一件事：压入环形缓冲区

void USART1_IRQHandler(void)
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)
    {
        uint8_t dat = USART_ReceiveData(USART1);
        usart_fifo_push(dat);
    }
}

四、状态机帧解析

采用 空闲中断 + 状态机解析 串口超过 20ms 无新数据判定一帧接收完毕

typedef enum
{
    USART_IDLE,
    USART_GET_HEAD,
    USART_GET_LEN,
    USART_GET_DATA,
    USART_GET_CRC
}usart_state_t;

void usart_parse_process(void)
{
    static usart_state_t state = USART_IDLE;
    static uint8_t tmp_buf[128];
    static uint16_t idx = 0;
    static uint16_t crc = 0;
    uint8_t dat;

    while(usart_fifo_pop(&dat))
    {
        switch(state)
        {
            case USART_IDLE:
                idx = 0;
                //匹配帧头 0xAA 0x55
                if(dat == 0xAA)
                {
                    tmp_buf[idx++] = dat;
                    state = USART_GET_HEAD;
                }
                break;

            case USART_GET_HEAD:
                if(dat == 0x55)
                {
                    tmp_buf[idx++] = dat;
                    state = USART_GET_LEN;
                }
                else
                {
                    state = USART_IDLE;
                }
                break;

            case USART_GET_LEN:
                tmp_buf[idx++] = dat;
                state = USART_GET_DATA;
                break;

            case USART_GET_DATA:
                //根据长度接收剩余数据
                if(idx < tmp_buf[2] + 3)
                {
                    tmp_buf[idx++] = dat;
                }
                else
                {
                    //最后两字节CRC
                    tmp_buf[idx++] = dat;
                    state = USART_GET_CRC;
                }
                break;

            case USART_GET_CRC:
                tmp_buf[idx++] = dat;
                
                //CRC校验判断
                //crc_check(tmp_buf, idx-2) == 正确
                if(1)
                {
                    //完整合法帧，执行业务处理
                    usart_data_handle(tmp_buf, idx);
                }

                state = USART_IDLE;
                idx = 0;
                break;
            default:
                state = USART_IDLE;
                break;
        }
    }
}

五、串口空闲中断

裸机唯一精准判帧方式： 一帧数据传输完成后总线空闲，触发空闲中断，标志本次帧接收完成

void USART_Idle_IRQ(void)
{
    if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_IDLE) != RESET)
    {
        USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_IDLE);
        //触发一次解析
        usart_parse_process();
    }
}

六、CRC16 校验代码

uint16_t crc16_calc(uint8_t *buf,uint16_t len)
{
    uint16_t crc = 0xFFFF;
    uint16_t i,j;
    for(i=0;i<len;i++)
    {
        crc ^= buf[i];
        for(j=0;j<8;j++)
        {
            if(crc & 1)
                crc = (crc >> 1) ^ 0xA001;
            else
                crc >>= 1;
        }
    }
    return crc;
}

校验作用：杜绝干扰乱码、字节错误，量产设备必须带 CRC。

七、业务解耦：协议层与业务层分离

void usart_data_handle(uint8_t *buf,uint16_t len)
{
    uint8_t cmd = buf[3];
    switch(cmd)
    {
        case 0x01:
            //设备查询指令
            break;
        case 0x02:
            //参数设置指令
            break;
        case 0x03:
            //控制指令
            break;
        default:
            //非法指令直接丢弃
            break;
    }
}

八、串口工程九大踩坑总结

1. 不用环形缓冲区：数据溢出、丢字节
2. 无帧头帧尾：无法区分粘包
3. 无超时判断：残留半截脏数据卡死解析
4. 无 CRC 校验：干扰直接乱执行
5. 中断里处理业务：导致中断过长、卡死、优先级抢占
6. 单字节判断指令：完全不适合量产
7. 不做容错复位：一次错误后续全部解析失败
8. 串口发送不屏蔽中断：并发错乱
9. 大数据不做分包发送：缓冲区溢出

九、RTOS 架构升级版

RTOS 中直接将接收数据放入队列：

xQueueSend(uart_queue,&dat,0);

任务中统一解析，实时性更强、完全无阻塞。