2 基于RTOS的串口三层软件架构设计

串口软件架构可以分为三层，如下：

疑问：很多开发人员为何觉得只有两层？

答案：开发人员把应用层和数据链路层和一块了，判断一帧后，直接调用应用层的函数对数据进行处理了。

通常要按分层设计的话，解析出一帧后通过消息或者函数调用，通知应用层处理，这样就体现出三层设计了。

2.1 底层(物理层收发)

    RS232,RS485物理介质，配置串行通信波特率、数据位、校验位，产生字节的接收中断和发送中断。

2.2 环形缓冲区接收发送

2.2.1 什么是环形缓冲区

Ring Buffer（环形缓冲区）是一种固定大小、头尾相连的数据结构，用于高效处理连续数据流。其核心特点是通过两个指针（读指针和写指针）实现循环读写，适用于嵌入式系统、网络通信、音频/视频流处理等场景。

核心原理 

- 结构：基于数组实现，内存连续，逻辑上形成环形。 

- 指针机制： 

  - 写指针(write_index)：指向下一个可写入位置。 

  - 读指针(read_index)：指向下一个可读取位置。 

- 状态判断： 

  - 空状态：read_index == write_index 且无数据。 

  - 满状态：read_index == write_index 且有数据(需结合镜像标志位或异或运算判断)。

典型应用场景 

- 嵌入式系统：串口通信、驱动设备数据缓存。

- 网络通信：TCP/IP协议栈数据缓存、多线程数据交换。

- 音频/视频流：实时编解码、流媒体传输。

- 系统日志：循环记录日志信息，覆盖旧数据。

实现方式 

- 固定大小：缓冲区初始化后不可扩容。

- 动态扩容：部分实现支持动态调整大小(如Boost库)。

- 无锁设计：Linux内核kfifo采用镜像指示位法实现无锁操作。

优势 

- 高效性：数据读写无需移动内存，适合实时处理。

- 内存友好：连续存储减少高速缓存缺失。

- 简化逻辑：通过指针回绕自动管理数据覆盖。

2.2.2 环形缓冲区设计

write_index:

当向缓冲区写入一个元素时，元素被写入写索引当前所指向位置，然后写索引write_index加1，指向下一个可写位置。

write_mirror:

写镜像标志，开始为0，当write_index到达最大位置后，取反为1，再次到达最大位置，取反为0。

read_index:

当从缓冲区中读出一个元素时，读索引read_index当前所在位置的元素被读出，然后读索引read_index加1，指向下一个可读位置。

read_mirror:

读镜像标志，开始为0，当read_index到达最大位置后，取反为1，再次到达最大位置，取反为0。

备注：

write_index 指向下一个可以写入位置，read_index指向当前可以读取位置。

2.3 中间层(数据链路层)---解帧组帧处理

2.3.1 帧的概念

串口通信中的帧是指由一定数量的数据位(通常为8位)组成的数据块，在发送和接收数据时，为了确保数据的正确性和完整性，常常需要将数据帧进行包装和解包处理。

数据链路层将比特流划分为帧(Frame），在帧头和帧尾添加控制信息，如帧起始和结束标志、地址信息、帧校验序列等。成帧使得数据传输更加有序和可靠。

2.3.2 两种类型的帧

第一种：安照两帧之间的时间间隔判断帧结束，类似modbus协议。

modbus RTU 协议在9600 bps下，两帧之间间隔3.5个字符传输时间，每字符传输用时1.04ms，帧间隔为 3.5 x 1.04 ms,即3.64 ms。

第二种：按照帧头、帧尾、数据长度、校验判断帧结束。

此种帧要反复扫描接收缓冲区。

AT 命令帧适合第二种，它以\r\n开始，\r\n结束，是有明确帧头帧尾的数据帧。

2.3.3 解帧(以第二种帧为例)

2.3.4 组帧

   接收应用层发的数据包，添加帧头、帧尾、数据长度、校验等。

2.4 上层(应用层)---应用逻辑实现

RS485总线，modbus协议数据解析等。