环形缓冲区的实现

队列 (Queue):是一种先进先出(First In First Out ,简称 FIFO)的线性表,只允许在一端插入(入队),在另一端进行删除(出队)。

队列的特点

类似售票排队窗口,先到的人看到能先买到票,然后先走,后来的人只能后买到票

队列的常见两种形式

普通队列

在计算机中,每个信息都是存储在存储单元中的,比喻一下吧,上图的一些小正方形格子就是一个个存储单元,你可以理解为常见的数组,存放我们一个个的信息。

当有大量数据的时候,我们不能存储所有的数据,那么计算机处理数据的时候,只能先处理先来的,那么处理完后呢,就会把数据释放掉,再处理下一个。那么,已经处理的数据的内存就会被浪费掉。因为后来的数据只能往后排队,如过要将剩余的数据都往前移动一次,那么效率就会低下了,肯定不现实,所以,环形队列就出现了。

环形队列

它的队列就是一个环,它避免了普通队列的缺点,就是有点难理解而已,其实它就是一个队列,一样有队列头,队列尾,一样是先进先出(FIFO)。我们采用顺时针的方式来对队列进行排序。

队列头 (Head) :允许进行删除的一端称为队首。队列尾 (Tail) :允许进行插入的一端称为队尾。

环形队列的实现:在计算机中,也是没有环形的内存的,只不过是我们将顺序的内存处理过,让某一段内存形成环形,使他们首尾相连,简单来说,这其实就是一个数组,只不过有两个指针,一个指向列队头,一个指向列队尾。指向列队头的指针(Head)是缓冲区可读的数据,指向列队尾的指针(Tail)是缓冲区可写的数据,通过移动这两个指针(Head) &(Tail)即可对缓冲区的数据进行读写操作了,直到缓冲区已满(头尾相接),将数据处理完,可以释放掉数据,又可以进行存储新的数据了。

实现的原理:初始化的时候,列队头与列队尾都指向0,当有数据存储的时候,数据存储在‘0’的地址空间,列队尾指向下一个可以存储数据的地方‘1’,再有数据来的时候,存储数据到地址‘1’,然后队列尾指向下一个地址‘2’。当数据要进行处理的时候,肯定是先处理‘0’空间的数据,也就是列队头的数据,处理完了数据,‘0’地址空间的数据进行释放掉,列队头指向下一个可以处理数据的地址‘1’。从而实现整个环形缓冲区的数据读写。

看图,队列头就是指向已经存储的数据,并且这个数据是待处理的。下一个CPU处理的数据就是1;而队列尾则指向可以进行写数据的地址。当1处理了,就会把1释放掉。并且把队列头指向2。当写入了一个数据6,那么队列尾的指针就会指向下一个可以写的地址。

从队列到串口缓冲区的实现

串口环形缓冲区收发:在很多入门级教程中,我们知道的串口收发都是:接收一个数据,触发中断,然后把数据发回来。这种处理方式是没有缓冲的,当数量太大的时候,亦或者当数据接收太快的时候,我们来不及处理已经收到的数据,那么,当再次收到数据的时候,就会将之前还未处理的数据覆盖掉。那么就会出现丢包的现象了,对我们的程序是一个致命的创伤。

那么如何避免这种情况的发生呢,很显然,上面说的一些队列的特性很容易帮我们实现我们需要的情况。将接受的数据缓存一下,让处理的速度有些许缓冲,使得处理的速度赶得上接收的速度,上面又已经分析了普通队列与环形队列的优劣了,那么我们肯定是用环形队列来进行实现了。下面就是代码的实现:

①定义一个结构体:

1typedef struct
2{
3    u16 Head;           
4    u16 Tail;
5    u16 Lenght;
6    u8 Ring_Buff[RINGBUFF_LEN];
7}RingBuff_t;
8RingBuff_t ringBuff;//创建一个ringBuff的缓冲区

②初始化结构体相关信息:使得我们的环形缓冲区是头尾相连的,并且里面没有数据,也就是空的队列。

 1/**
 2* @brief  RingBuff_Init
 3* @param  void
 4* @return void
 5* @author 杰杰
 6* @date   2018
 7* @version v1.0
 8* @note   初始化环形缓冲区
 9*/
10void RingBuff_Init(void)
11{
12   //初始化相关信息
13   ringBuff.Head = 0;
14   ringBuff.Tail = 0;
15   ringBuff.Lenght = 0;
16}

初始化效果如下:

写入环形缓冲区的代码实现:

 1/**
 2* @brief  Write_RingBuff
 3* @param  u8 data
 4* @return FLASE:环形缓冲区已满,写入失败;TRUE:写入成功
 5* @author 杰杰
 6* @date   2018
 7* @version v1.0
 8* @note   往环形缓冲区写入u8类型的数据
 9*/
10u8 Write_RingBuff(u8 data)
11{
12   if(ringBuff.Lenght >= RINGBUFF_LEN) //判断缓冲区是否已满
13    {
14      return FLASE;
15    }
16    ringBuff.Ring_Buff[ringBuff.Tail]=data;
17//    ringBuff.Tail++;
18    ringBuff.Tail = (ringBuff.Tail+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法访问
19    ringBuff.Lenght++;
20    return TRUE;
21}

读取缓冲区的数据的代码实现:

 1/**
 2* @brief  Read_RingBuff
 3* @param  u8 *rData,用于保存读取的数据
 4* @return FLASE:环形缓冲区没有数据,读取失败;TRUE:读取成功
 5* @author 杰杰
 6* @date   2018
 7* @version v1.0
 8* @note   从环形缓冲区读取一个u8类型的数据
 9*/
10u8 Read_RingBuff(u8 *rData)
11{
12   if(ringBuff.Lenght == 0)//判断非空
13    {
14       return FLASE;
15    }
16   *rData = ringBuff.Ring_Buff[ringBuff.Head];//先进先出FIFO,从缓冲区头出
17//   ringBuff.Head++;
18   ringBuff.Head = (ringBuff.Head+1)%RINGBUFF_LEN;//防止越界非法访问
19   ringBuff.Lenght--;
20   return TRUE;
21}

对于读写操作需要注意的地方有两个:

1:判断队列是否为空或者满,如果空的话,是不允许读取数据的,返回FLASE。如果是满的话,也是不允许写入数据的,避免将已有数据覆盖掉。那么如果处理的速度赶不上接收的速度,可以适当增大缓冲区的大小,用空间换取时间。

2:防止指针越界非法访问,程序有说明,需要使用者对整个缓冲区的大小进行把握。

那么在串口接收函数中:

1void USART1_IRQHandler(void)   
2{
3   if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET)  //接收中断
4                   {
5           USART_ClearITPendingBit(USART1,USART_IT_RXNE);       //清楚标志位
6           Write_RingBuff(USART_ReceiveData(USART1));      //读取接收到的数据
7       }
8}

测试效果

测试数据没有发生丢包现象。

补充

对于现在的阶段,杰杰我本人写代码也慢慢学会规范了。所有的代码片段均使用了可读性很强的,还有可移植性也很强的。我使用了宏定义来决定是否开启环形缓冲区的方式来收发数据,移植到大家的代码并不会有其他副作用,只需要开启宏定义即可使用了。

 1#define USER_RINGBUFF  1  //使用环形缓冲区形式接收数据
 2#if  USER_RINGBUFF
 3/**如果使用环形缓冲形式接收串口数据***/
 4#define  RINGBUFF_LEN          200     //定义最大接收字节数 200
 5#define  FLASE   1 
 6#define  TRUE    0 
 7void RingBuff_Init(void);
 8u8 Write_RingBuff(u8 data);
 9u8 Read_RingBuff(u8 *rData);
10#endif

当然,我们完全可以用空闲中断与DMA传输,效率更高,但是某些单片机没有空闲中断与DMA,那么这种环形缓冲区的作用就很大了,并且移植简便。

原文发布于微信公众号 - 人人都是极客(rrgeek)

原文发表时间:2018-06-12

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