微控制器的环形缓冲区
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【中文标题】微控制器的环形缓冲区【英文标题】:Ringbuffer for a microcontroller 【发布时间】:2021-11-26 13:03:58 【问题描述】:这是我现在面临的一个场景,我有一个中断(线程)UART,它正在从我从串行端口获得的值中读取环形缓冲区,并将值从串行端口写入环形缓冲区。 我有一个主循环,可以访问该环形缓冲区以从中读取值,同时编写 AT 命令,并将这些 AT 命令写入环形缓冲区。 我需要环形缓冲区是无锁的还是用信号量或互斥体包围共享数据?我没有让互斥锁或信号量工作的操作系统。 我已经阅读了很多关于该主题的内容,看来我需要一个无锁环形缓冲区。在 ARM 上,我会使用比较和交换指令。 ringbuffer 是作为数组实现的,所以我不会遇到 ABA 问题
缓冲区声明:
#define MAX_CHANNEL_COUNT 5
#define UART_BUFSIZE 512
char buffers[2][MAX_CHANNEL_COUNT][UART_BUFSIZE];
char* writeBuffers[MAX_CHANNEL_COUNT];
char* readBuffers[MAX_CHANNEL_COUNT];
volatile int readPos[MAX_CHANNEL_COUNT] = 0 ;
volatile int writePos[MAX_CHANNEL_COUNT] = 0 ;
here is the interrupt code
void USART_IRQHandler(char Channel, USART_TypeDef *USARTx)
volatile unsigned int IIR;
int c = 0;
IIR = USARTx->SR;
if (IIR & USART_FLAG_RXNE)
// read interrupt
USARTx->SR &= ~USART_FLAG_RXNE; // clear interrupt
c = USART_ReceiveData(USARTx);
writeBuffers[Channel][writePos[Channel]] = c;
writePos[Channel]++;
if(writePos[Channel]>=UART_BUFSIZE) writePos[Channel]=0;
if (IIR & USART_FLAG_TXE)
USARTx->SR &= ~USART_FLAG_TXE; // clear interrupt
code for initializing and swapping the buffers:
void initializeBuffers(void)
int i = 0;
for (i = 0; i < MAX_CHANNEL_COUNT; ++i)
writeBuffers[i] = buffers[0][i];
readBuffers[i] = buffers[1][i];
void swapBuffers(int channel)
int i;
char * buf = writeBuffers[channel];
__disable_irq();
writeBuffers[channel] = readBuffers[channel];
readBuffers[channel] = buf;
if ( readPos[channel] == UART_BUFSIZE)
readPos[channel] = 0;
for (i =0; i < UART_BUFSIZE; i++)
buf[i] = 0;
__enable_irq();
这里我使用此函数从特定通道和特定 UART 获取字符
int GetCharUART (char Channel)
int c = readBuffers[Channel][readPos[Channel]++];
if (c == 0 || readPos[Channel] == UART_BUFSIZE)
swapBuffers(Channel); // Make this clear your read buffer.
return EMPTY;
return c; // Note, your code that calls this should handle the case where c == 0
GetCharUart 的使用
PutStringUART(UART_GSM, "AT");
PutStringUART(UART_GSM, pCommand);
PutCharUART(UART_GSM, '\r');
count = 0;
timer_100ms = 0;
while (timer_100ms <= timeout)
zeichen = GetCharUART(UART_GSM);
【问题讨论】:
我觉得需要一些代码来说明一下对缓冲区的操作,同时还要更清楚地列出生产者和消费者。听起来 UART ISR 可以生产东西,而且主线程确实生产/消费,这似乎不平衡且令人困惑。或许您需要两个环形缓冲区,每个缓冲区在中断和主代码之间单向运行? @unwind 我有一些代码。 我昨天给了你一个帖子的链接,该帖子解释了为什么需要信号量以及如何在裸机 MCU 上以最简单的方式实现它。发生了什么?这是链接,electronics.stackexchange.com/a/409570/6102,它解释了 volatile 的使用以及如何在同一答案中使用信号量。这是两个不相关的问题。 @Lundin 该帖子已被版主删除。 AhmedSaleh,提示:考虑使用包含 1 个struct
且有 5 个成员的数组,而不是 5 个数组对象。
【参考方案1】:
您需要在中断处理程序和“主线程”之间进行同步,所以是的,需要一种互斥锁。没有操作系统的常用方法是在“进入临界区”之前禁用中断,然后重新启用。这确保了关键部分是“原子的”(即同时没有中断触发)。
在 ARM 上,我会使用比较和交换指令
你用的是什么编译器?
GCC 和 Clang 具有原子比较和交换的内在函数。
参见例如
https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/_005f_005fatomic-Builtins.html
https://llvm.org/docs/Atomics.html
C11 通过<stdatomic.h>
支持它我相信:https://en.cppreference.com/w/c/atomic/atomic_compare_exchange
【讨论】:
其实我知道禁用/启用中断。但问题是我同时在等待来自其他设备的一些中断。所以禁用/启用中断对我来说没有好处。我正在使用 Keil uVision。 如果Keil没有好的内在函数,你可以使用en.wikipedia.org/wiki/Peterson%27s_algorithm作为穷人的互斥(我没用过) Morten,UV 表示“需要同步”。鉴于共享int turn;
不是 volatile
并且 P1 可以在 turn = 1;
和 while (flag[1] == true && turn == 1)
之间运行,彼得森算法被破坏。
莫顿,而不是“之前禁用中断......之后重新启用。”,我发现“记录中断状态,禁用......之后重新存储。”更有用。
@chux-ReinstateMonica 我同意保存状态并在之后重新启用更有用,但是我们很快就会进入实现细节,所以我是在笼统地说。我同意你的看法。 Peterson's:实现同步原语时必须小心。我不是说 wiki-article 提供实现,只是解释概念:)【参考方案2】:
从概念上讲,我建议将环形缓冲区分为读取缓冲区和写入缓冲区(可以是环形缓冲区)。
当您使用中断时,您就有并发性,这意味着您需要保护共享数据(即您的缓冲区)。这通常由互斥锁或信号量完成。但是,它们仅适用于 OS 或 RTOS。
所以最常见的做法是暂时序列化你的并发元素。这可以通过禁用 UART 中断来完成。更准确地说,您需要停用所有中断,这会触发使用共享资源的代码。
【讨论】:
其实我知道禁用/启用中断。但问题是我同时在等待来自其他设备的一些中断。所以禁用/启用中断对我来说没有好处。 你可以只禁用UART中断。禁用/启用中断时,您这样做只是为了写入共享变量,因此只需要几条指令。所以,除非你处于硬实时环境中,否则快速停用它并再次激活它通常不是问题以上是关于微控制器的环形缓冲区的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章