环形缓冲区(ringbuffer),实际上就是一种队列数据结构,只不过它不是线性队列,而是环形队列。
关于环形缓冲区(ringbuffer)的详细介绍,网上一搜一大把,这里不重复介绍了,我这里直接上代码。
详细介绍可以参考下面链接里面的介绍:
实现环形缓冲区的形式有使用数组的,也可以使用链表。我这里为了实现简单,就用数组作为 ringbuffer 的内存来实现。
在实现 ringbuffer 时,要有两个指针,读指针和写指针。每当向 ringbuffer 中写入一个数据时,写指针加1;同理从 ringbuffer 中读取一个数据时,读指针加1。
对于 ringbuffer 的读写操作,我们有几个重点问题需要考虑:
读写指针移动到 ringbuffer 的最大长度之后,如何返回首位置?
对于 ringbuffer 的读写指针位置的计算,精髓就在于对读写指针进行取模运算。即当读写指针移动一个位置时,然后对 ringbuffer 的大小进行取模运算,这样当读写指针移动到最末尾时,取模运算的结果就是 0,即返回的 ringbuffer 的首位置了。代码表示如下:
write_index : 当前写位置
read_index : 当前读位置
ringbuffer_size : ringbuffer 缓冲区的大小
/* 读写指针每移动一个位置,都对 ringbuffer 大小进行取模运算 */
write_index = (write_index + 1) % ringbuffer_size
read_index = (read_index + 1) % ringbuffer_size
如何判断 ringbuffer 为空?
读写指针的位置相等时,说明 ringbuffer 为空。
write_index == read_index
如何判断 ringbuffer 为满?
当写指针的下一个位置等于读指针的位置时,那么 ringbuffer 为满。
(write_index + 1) % ringbuffer_size == read_index
ringbuffer 的数据结构封装如下,主要成员有读写指针,还有指向用户提供 buffer 的指针和 buffer 的大小。
其中,读写指针的这两个成员,很可能会因为外部一些原因(比如串口中断)造成读写位置的变化,而这个变化编译器很可能不知道,所以为了防止编译器优化而加上 volatile
关键字修饰。
typedef struct _ringbuffer_t
{
volatile unsigned int read_index; /* 当前读位置 */
volatile unsigned int write_index; /* 当前写位置 */
unsigned int buffer_size; /* ringbuffer大小 */
unsigned char *buffer_ptr; /* 指向ringbuffer */
} ringbuffer_t;
/*
* 函数作用 : 初始化ringbuffer结构体(句柄)
* 参数 rb : 指向ringbuffer句柄
* 参数 pool : 指向ringbuffer缓冲区,用户调用时一般提供一个数组
* 参数 size : 缓冲区的大小
* 返回值 : 无
*/
void ringbuffer_init(ringbuffer_t *rb, unsigned char *pool, unsigned int size)
{
/* initialize read and write index */
rb->read_index = 0;
rb->write_index = 0;
/* set buffer pool and size */
rb->buffer_ptr = pool;
rb->buffer_size = size;
}
主要是初始化 ringbuffer_t 结构体成员。用户需要提供一个定义好的数组变量,传递到这个初始化函数中,从而使得 buffer_ptr
这个指向具体 buffer 的成员指向用户提供的一个数组。
前面已经介绍了,读写指针移动运算的精髓就在于,对 ringbuffer 的大小进行取模运算。
另外,当写指针的下一个位置与当前读位置相等时,说明 ringbuffer 已经满了,这个时候就不再继续向环形缓冲区写入数据了。
代码实现如下:
/*
* 函数作用 : 向目标缓冲区写入一个字节数据
* 参数 ch : 要写入ringbuffer的数据
* 参数 rb : 指向ringbuffer句柄
* 返回值 : 写入成功返回0,失败返回-1
*/
int ringbuffer_write(unsigned char ch, ringbuffer_t *rb)
{
if (rb->read_index == ((rb->write_index + 1) % rb->buffer_size))
{
return -1;
}
else
{
rb->buffer_ptr[rb->write_index] = ch;
rb->write_index = (rb->write_index + 1) % rb->buffer_size;
return 0;
}
}
当读写指针相等时,ringbuffer 为空。具体代码实现如下:
/*
* 函数作用 : 向目标缓冲区读取一个字节数据
* 参数 ch : 把读取到的数据保存到ch所指向的内存
* 参数 rb : 指向ringbuffer句柄
* 返回值 : 读取成功返回0,失败返回-1
*/
int ringbuffer_read(unsigned char *ch, ringbuffer_t *rb)
{
if (rb->read_index == rb->write_index)
{
return -1;
}
else
{
*ch = rb->buffer_ptr[rb->read_index];
rb->read_index = (rb->read_index + 1) % rb->buffer_size;
return 0;
}
}
串口中断接收数据时,每接收到一个字节数据就会触发一次中断,然后我们再把这一字节的数据交给上一层的程序进行处理。很多时候,如果我们接收到一个字节数据就处理一下,太过于频繁。有时也可能因为数据量太大,或者接收数据太快,而上层代码来不及处理数据,等到下一次接收的数据来到时,很可能会覆盖掉没来得及处理的数据。这是就会出现丢包的现象。
为了防止丢包,我们可以在中断中暂时先把接收到的数据放到一个缓冲区里面,等到CPU去处理时,一次性就把所有的数据都取出来进行处理。而对于这种对数据的读和写的过程,使用环形缓冲区是非常适合的。
使用串口接收数据,先对串口进行初始化,以及对 ringbuffer 进行初始化。
static unsigned char uart_rx_buffer[16]; // 环形缓冲区所指向的数组
static ringbuffer_t uart_rx_ringbuffer; // 环形缓冲区句柄
UART_HandleTypeDef huart1;
void MX_USART1_UART_Init(void)
{
/* 初始化ringbuffer,使得ringbuffer指向用户提供的数组 */
ringbuffer_init(&uart_rx_ringbuffer, uart_rx_buffer, sizeof(uart_rx_buffer));
/* 串口参数配置 */
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
/* 串口引脚初始化 */
if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/* 串口中断配置 */
HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 4, 0); // 中断优先级配置
HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn); // 使能串口1中断
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_RXNE); // 使能串口1接收中断
}
在串口中断中,把接收到的数据保存到我们刚刚定义的 ringbuffer 中。
void USART1_IRQHandler(void)
{
int ch = -1;
if ((__HAL_UART_GET_FLAG(&(huart1), UART_FLAG_RXNE) != RESET) &&
(__HAL_UART_GET_IT_SOURCE(&(huart1), UART_IT_RXNE) != RESET))
{
while (1)
{
ch = -1;
if (__HAL_UART_GET_FLAG(&(huart1), UART_FLAG_RXNE) != RESET)
{
ch = huart1.Instance->DR & 0xff;
}
if (ch == -1)
{
break;
}
/* 中断接收到的数据,存入 ringbuffer */
ringbuffer_write(ch, &uart_rx_ringbuffer);
}
}
}
使用串口助手,每隔 10ms 自动发送一次数据,而在 main 函数故意延时20ms再去把 ringbuffer 的数据读出来在发送到串口助手上。
我们前面的代码定义的 ringbuffer 的大小是 16 字节,在串口助手中,当我们每隔 10ms 发送 5 个字节时,main 函数延时 20ms 再接收。这时可以发现是没有出现丢包的现象的,实验结果如下:
但是,如果我们一次性发送的数据大于 ringbuffer 的大小(16字节)时,那么就会出现丢包的现象了。
另外,如果每 10ms 一次性发送 10 个字节,由于 main 函数延时了 20ms 才去处理数据,如果长期堆积下去的话,这时也会造成数据丢包的现象。
所以说,如果我们一次性要接收的数据量太大,或者说处理的速度太慢,为了防止数据丢包现象,最好自己评估把 ringbuffer 的大小设置大一点。
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