ESP32 ModbusTCP 分片缓存

说明：本文重点讲解标志位窗口方案实现 ModbusTCP 分片缓存，不涉及 xTaskGetTickCount 计时漂移修复，聚焦业务逻辑设计、结构体定义、代码、测试方法。

一、需求背景

硬件：ESP32，作为 ModbusTCP 服务端，接收 TCP 客户端（ModbusPoll）下发标准 ModbusTCP 报文（主要 03 读保持寄存器指令）。 业务链路：TCP 收到报文 → 解析 ModbusTCP 请求 → 匹配缓存。

• 如果缓存命中：直接返回缓存数据，不经过 RF 模块抄表，提升响应速度；
• 如果缓存未命中：下发 RF 抄表，收到从站返回数据后存入缓存；
• 缓存规则：每一条独立的 Modbus 请求单独管理生命周期。

一条请求唯一标识：从站地址 + 功能码 + 寄存器起始地址 + 寄存器长度

• 超时规则：某条缓存，连续 5 分钟没有被客户端访问，则缓存失效（EN=0）；
• 只要 5 分钟窗口内被访问过，缓存继续保留，重新进入下一轮 5 分钟检测窗口。

选型：标志位窗口方案 ，不使用每个缓存条目单独保存时间戳。 原理：用一个全局的 5 分钟检测窗口，窗口内用access_flag标记该缓存条目是否被访问；窗口到期统一遍历判断所有缓存。

二、核心原理（大白话）

想象有一个 5 分钟的检查窗口：

1. 窗口开启瞬间，所有有效缓存的access_flag全部清零；
2. 在这 5 分钟内，只要客户端访问这条缓存，就把这条缓存的access_flag = 1；
3. 5 分钟窗口时间到，遍历全部缓存槽位：
   • 缓存使能EN=1，并且access_flag ==1：窗口内有访问，缓存保留，access_flag清零，等待下一轮窗口；
   • 缓存使能EN=1，并且access_flag ==0：整个 5 分钟没人访问，缓存失效，EN=0，清空缓存数据；
4. 窗口重置，开启新一轮 5 分钟计时。

优点：

1. 不需要每个缓存项存独立时间戳，内存开销小；
2. 逻辑简单，调试直观，日志打印EN、access_flag就能直接看状态；
3. 每条缓存独立判断，互不干扰。 局限：超时是窗口粒度，最大误差等于窗口周期（5 分钟），业务允许这种误差时非常适合。

三、结构体定义（分片缓存）

tcp_section[]就是分片缓存数组，SECTION_NUM代表最大缓存条目数量，最多同时缓存 N 条不同 Modbus 请求。

// 缓存条目结构体
typedef struct
{
    uint8_t EN;                  // 缓存总使能标志 1:有效 0:失效
    uint8_t addr;                // Modbus从站地址
    uint8_t funcode;             // 功能码，03/04
    uint16_t reg_addr;           // 寄存器起始地址
    uint16_t reg_len;            // 读取寄存器长度
    uint8_t buf[BUF_SIZE];       // 缓存的Modbus应答报文数据
    uint16_t buflen;             // 缓存数据有效长度
    uint8_t access_flag;         // 【核心标志位】本窗口是否被访问 1=访问过 0=未访问
}format_typedef;

// 全局缓存数组
format_typedef tcp_section[SECTION_NUM] = {0};

字段说明：

• EN：缓存是否可用。EN=0 时，这条缓存槽位是空的，可以存入新请求；EN=1 代表缓存有效，可以应答客户端。
• access_flag：窗口访问标记标志位，只在 5 分钟窗口内生效，不是计时器。
• 四元组（addr,funcode,reg_addr,reg_len）作为匹配 key，用来判断新来 TCP 报文是否命中已有缓存。

四、全局变量与宏定义

#define TAG "TcpTrans"
#define SECTION_WINDOW_TICK 300000   //5分钟窗口计数阈值
uint32_t section_window_tick = 0;   //全局窗口计时器

五、TCP 接收回调：收到 ModbusTCP 报文，匹配缓存

TcpTrans_Rec_Callback是 TCP 接收回调，收到客户端 ModbusTCP 报文后执行：

1. 解析 ModbusTCP，提取从站地址、功能码、起始寄存器、寄存器长度；

2. 遍历tcp_section数组，逐个对比四元组；

3. 如果匹配成功（命中缓存）：将access_flag =1，直接读取缓存 buf 回复客户端；

4. 如果遍历完没有匹配缓存：寻找 EN=0 的空槽位，新建缓存，EN=1、access_flag=1，把请求送入 RF 任务去抄表。

   void TcpTrans_Rec_Callback(uint8_t *buf,uint16_t len,uint8_t sock)
   {
   uint8_t i,j;
   UTIL_BUFFRCV_W(TAG,buf,len);

    // 省略ModbusTCP报文解析，得到addr,funcode,reg_addr,reg_len
    
    //第一步：遍历缓存，查找是否存在匹配的条目
    for(i = 0; i < SECTION_NUM; i++)
    {
        if(tcp_section[i].EN == 1)
        {
            if( tcp_section[i].addr == addr &&
                tcp_section[i].funcode == funcode &&
                tcp_section[i].reg_addr == reg_addr &&
                tcp_section[i].reg_len == reg_len )
            {
                //命中缓存！置访问标志位
                tcp_section[i].access_flag = 1;
                UTIL_LOG_E(TAG,"section[%d]命中缓存，access_flag置1",i);
                //读取缓存数据，组装TCP应答报文，发送给客户端
                //......发送代码省略
                return;
            }
        }
    }
   
    //走到这里：没有命中缓存，寻找空闲槽位新建缓存
    for(j = 0; j < SECTION_NUM; j++)
    {
        if(tcp_section[j].EN == 0)
        {
            UTIL_LOG_E(TAG,"新建缓存 section[%d]",j);
            tcp_section[j].EN = 1;
            tcp_section[j].addr = addr;
            tcp_section[j].funcode = funcode;
            tcp_section[j].reg_addr = reg_addr;
            tcp_section[j].reg_len = reg_len;
            tcp_section[j].access_flag = 1; //新建缓存，本窗口标记为已访问
            //把请求压入消息队列，交给RF任务去抄表
            osMessageQueuePut(tcp_trans.TxQueue,&Tbuf,0,0);
            break;
        }
    }

   }

关键点：只要访问缓存，access_flag 必须置 1，告诉超时检测逻辑：这个窗口内这条指令有人访问，不能过期。

六、5 分钟窗口轮询检测逻辑（标志位核心代码）

放在网口 / 状态机轮询任务里面，循环执行，section_window_tick持续累加。 当计数达到阈值，触发一次全缓存遍历，执行标志位判断。

// 放在while(1)轮询任务中
section_window_tick++;
if(section_window_tick >= SECTION_WINDOW_TICK)
{
    section_window_tick = 0; //重置窗口，开启下一个5分钟
    UTIL_LOG_E(TAG,"5min窗口到达，遍历检查section缓存");
    for(uint8_t i = 0; i < SECTION_NUM; i++)
    {
        if(tcp_section[i].EN == 1)
        {
            if(tcp_section[i].access_flag == 0)
            {
                //整个5分钟窗口没有收到这条指令，缓存失效
                UTIL_LOG_E(TAG,"section[%d] 5min无访问，缓存失效",i);
                tcp_section[i].EN = 0;
                tcp_section[i].buflen = 0;
                memset(tcp_section[i].buf,0,sizeof(tcp_section[i].buf));
            }
            else
            {
                //窗口内有访问，缓存保留，清空access_flag，等待下一轮窗口
                UTIL_LOG_E(TAG,"section[%d]窗口内有访问，保留缓存，清空access_flag",i);
                tcp_section[i].access_flag = 0;
            }
        }
        else
        {
            //EN=0，空槽位，跳过
            UTIL_LOG_E(TAG,"section[%d]缓存槽位空闲",i);
        }
    }
}

逻辑拆解

1. 窗口到期，进入 for 循环遍历全部分片缓存；
2. 有效缓存EN=1：
   • access_flag == 0：5 分钟窗口全程没有访问 → 关闭 EN，清空缓存数据；
   • access_flag == 1：窗口内有访问，保留缓存，清零 access_flag，准备下一轮计时；
3. EN=0：空闲槽位，跳过。

注意：access_flag只在窗口到期时统一清零，收到报文只做置 1，不做清零！ 这是标志位窗口方案最核心的要点，不要写反。

七、断网 / 重连场景：缓存整体清空

TCP 断开、WiFi 重连时，所有缓存全部失效，防止旧脏缓存残留：

for(uint8_t i = 0 ; i<SECTION_NUM; i++)
{
    tcp_section[i].EN = 0;
    tcp_section[i].access_flag = 0;
    tcp_section[i].buflen = 0;
    memset(tcp_section[i].buf,0,sizeof(tcp_section[i].buf));
}

八、ModbusPoll 测试方案（验证分片缓存 + 标志位超时）

测试环境

电脑 ModbusPoll 作为 TCP 客户端，连接 ESP32 设备。 最少设备：1 台 ESP32 + ModbusPoll 软件，不需要额外硬件。

测试用例

用例 1：新建缓存，命中缓存

1. ModbusPoll 下发 03 读寄存器指令 A（从站 1，起始 0，长度 10）；
2. ESP32 无缓存，触发 RF 抄表，收到数据存入 section 缓存，EN=1，access_flag=1；
3. 再次下发指令 A，代码命中缓存，access_flag 被置 1，直接返回缓存数据，不再触发 RF 抄表。

用例 2：多条分片缓存独立管理

1. 下发指令 A，存入 section 0；
2. 下发指令 B（从站 2，起始 10，长度 5），存入 section 1；

• A、B 两条缓存互相独立；持续轮询 A，B 不轮询；5 分钟窗口到期后，B 缓存失效，A 保持有效。

用例 3：5 分钟超时失效

1. 下发指令 A，建立缓存；
2. 停止发送指令 A，等待 5 分钟窗口到达；
3. 窗口触发遍历，检测 access_flag=0 → EN 置 0，缓存清空；
4. 再次下发 A，会重新新建缓存，重新走 RF 抄表流程。

用例 4：持续轮询，缓存永久保活

1. 循环下发指令 A，每几十秒轮询一次；
2. 每个窗口内 access_flag 都会被置 1；
3. 每次窗口到期，access_flag 清零，缓存 EN 保持 1，缓存永久有效。