單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)編程V課件

1、單片機(jī)原理與應(yīng)用2022/7/26第5部分 單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)編程2學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)從信息交互角度的建立通訊的概念總覽各種通訊方法，及其注意事項建立幀、包、報文等基本概念，以及其使用方法建立通訊中需要注意的問題注意：思維一定要開闊一些，多問為什么。允許不用舉手，并隨時打斷，向我提任何和課程相關(guān)的問題。2022/7/262本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.1 引言信息交互：發(fā)出和接收信息的過程。通常由6個部分組成：信息源、信息、信息傳遞的通道或網(wǎng)絡(luò)、接收者、反饋、噪音。事實(shí)上，信息交互不僅僅存在于通訊系統(tǒng)中。至少目前的定義，通訊就是信息交互的過程。那么請從信息流的角度看待通訊問題即使對于某個測控系統(tǒng)，當(dāng)中傳遞的也是

2、信息（信號只是信息的載體）。2022/7/2631 信息交互與通訊繼續(xù)考慮上述的封閉測控系統(tǒng)，可以在任何一個環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)之間采用模擬的或數(shù)字的通訊方式，傳遞信息。2022/7/2641.1 引言(續(xù)1)需要考慮的是如何有效的傳遞信息：采用何種載體如何保證信息在傳遞過程中的正確率請務(wù)必注意：必須依據(jù)信源特性確定載體類型、特征等問題。當(dāng)前來說，信號是目前在工業(yè)中傳遞信息最常用的載體。當(dāng)前，工業(yè)中常用的標(biāo)準(zhǔn)信號規(guī)格可以分為：模擬信號：05V的電壓信號、420mA的電流信號數(shù)字信號：這是目前用的最多的，并且有著多種形式可供選擇。不論傳遞何種信號，必然需要考慮兩個內(nèi)容：確定發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的物理連接方法

3、；確定發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間對話模式。物理鏈接、對話模式、信號特征三者往往是統(tǒng)一的，必須綜合考慮。另外，在實(shí)現(xiàn)中往往加入其他因素進(jìn)行綜合考慮，例如：環(huán)境狀況、成本問題、工藝問題、保密性問題、對以下2個實(shí)例進(jìn)行分析：為什么使用這種方式？能否使用其他的通訊方式？實(shí)現(xiàn)這些通訊方式的過程中需要注意哪些內(nèi)容？電纜式測井中采用7000m電纜將儀器和HOST PC連接起來。但是在儀器與遙傳短節(jié)之間采用 CAN Bus連接；在一些數(shù)控機(jī)床中，PLC的CPU模塊與其他模塊采用RS232通訊。2022/7/2651.2 信號、信號傳輸與通訊對以下2個實(shí)例進(jìn)行分析：為什么使用這種方式？能否使用其他的通訊方式？實(shí)現(xiàn)這些通

4、訊方式的過程中需要注意哪些內(nèi)容？電纜式測井中采用7000m電纜將儀器和HOST PC連接起來。但是在儀器與遙傳短節(jié)之間采用 CAN Bus連接；在一些數(shù)控機(jī)床中，PLC的CPU模塊與其他模塊采用RS232通訊。2022/7/2661.2 信號、信號傳輸與通訊(續(xù)1)接口：泛指實(shí)體把自己提供給外界的一種抽象化物（可以為另一實(shí)體），用以由內(nèi)部操作分離出外部溝通方法，使其能被修改內(nèi)部而不影響外界其他實(shí)體與其交互的方式。對于目前的信息科學(xué)領(lǐng)域，接口可以分為兩大類：軟件接口：例如，用戶界面、JAVA接口、動態(tài)鏈接庫接口、硬件接口：RS232、Ethernet、I2C、簡單的說接口就是一個契約或者規(guī)范。正

5、如，信號可以分為兩類一樣，接口也可以分為兩類：模擬接口：數(shù)字化接口：不論是模擬或數(shù)字接口，都必須在數(shù)字化控制中考慮以下問題：速度：資源占用：CPU時間、中斷、DMA傳輸距離：差錯控制：供電：其他：2022/7/2671.3 通訊接口引論2.1 引言考慮：在MCU內(nèi)部，所謂總線是否可以歸納到接口的范疇。在這里，若非特別指明，接口均指代系統(tǒng)間的通訊連接。2022/7/2682 數(shù)字化通訊接口大部分的數(shù)字化通訊接口以下圖為基礎(chǔ)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)通訊。2022/7/2692.2 數(shù)字化接口電路的構(gòu)成接口的基本功能：數(shù)據(jù)傳送：CPU執(zhí)行輸入/輸出指令與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。（串行、并行）數(shù)據(jù)緩沖：用于輸入輸出過

6、程中的暫存，對方不能及時接收數(shù)據(jù)時，將數(shù)據(jù)暫存在接口電路中。根據(jù)接口的需要可以是1個或2個字節(jié)，或是FIFO存儲器，也可以是數(shù)據(jù)存儲區(qū)。信號變換：完成數(shù)字信號與I/O設(shè)備信號(如模擬信號、開關(guān)信號、計數(shù)脈沖等)的相互轉(zhuǎn)換。中斷：大多數(shù)接口電路有中斷功能，以提高接口程序的效率。接口的高級功能差錯控制：實(shí)現(xiàn)檢錯或糾錯。高層通信協(xié)議：實(shí)現(xiàn)呼叫、數(shù)據(jù)包、流量控制等。即插即用、電源管理、動態(tài)配置等。2022/7/26102.3 通訊接口運(yùn)行概述接口的操作：程序?qū)涌诘脑L問（讀/寫）方式。不同的接口電路支持不同的操作方式。查詢控制方式：在程序的主動控制下，通過讀取狀態(tài)寄存器了解接口的情況，完成相應(yīng)的程序操

7、作。為了及時了解接口的狀態(tài)，需要時間密集的查詢操作。CPU效率低。中斷控制方式：當(dāng)接口出現(xiàn)需要程序干預(yù)的事件，通過中斷通知CPU，CPU再讀取狀態(tài)寄存器，確定事件的種類，以便執(zhí)行不同的代碼處理。CPU效率高而且及時。DMA控制方式：CPU與接口的數(shù)據(jù)傳送采用DMA傳送，即傳送的具體過程由硬件（DMA控制器）完成，傳送速度比通過CPU快，尤其是在批量傳送時效率很高。2022/7/26112.3 通訊接口運(yùn)行概述(續(xù)1)通信協(xié)議是指通信雙方對數(shù)據(jù)傳送控制的一種約定，包括對數(shù)據(jù)格式，同步方式，傳送速度，傳送步驟，檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定。通信雙方必須共同遵守，它也叫做鏈路控制規(guī)程

8、。由于這些規(guī)格（語言）的規(guī)定都是事先在會議上講好的，一般我們稱之為“協(xié)議”（英文稱為protocol）。協(xié)議主要由以下三個要素組成：語法：“如何講”，數(shù)據(jù)的格式、編碼和信號等級（電平的高低）語義：“講什么”，數(shù)據(jù)內(nèi)容、含義以及控制信息。定時規(guī)則（時序）：明確通信的順序、速率匹配和排序。討論接口則必須討論協(xié)議，硬件接口相同，不代表協(xié)議相同；協(xié)議類型相同，不代表編碼方式相同；。正是由于多種不同，使得目前存在各種各樣的通訊方式。例如，同樣是TCP協(xié)議，但是并非一定使用RJ45接頭；同樣電平標(biāo)準(zhǔn)也可以設(shè)定的不同。同樣，對于RS232的串口標(biāo)準(zhǔn)，即使按照以前規(guī)定的7位字符位，但是若組成方式不同也會有不同

9、。2022/7/26122.4 數(shù)字通訊協(xié)議可以參考ISO/OSI的7層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)信息交互/通訊，的最終目標(biāo)是考慮如何讓接收方能夠“理解”發(fā)送方的意圖。2022/7/26132.5 完整的數(shù)字化通訊模型多種多樣、千變?nèi)f化的通訊接口。PC機(jī)常用內(nèi)部總線和接口：ISA、PCI、PCI-E、Compact-PCI、PC104、PXI、PC104 Plus、DDR 3、STAT、STAT 2、SCSI、PC機(jī)常用對外總線和接口：RS232、PS2、VGA、HDMI、USB 2.0、USB3.0、SCSI、PCMCIA、常用無線接口：Blue Tooth、WIFI、CDMA、WCDMA、LTE、芯片

10、之間常用接口：高速串口：SPI、HDMI、PCI-E并口：低速串口：I2C工業(yè)常用接口：早期串行接口：RS232、RS422、RS485、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)總線：工業(yè)以太等現(xiàn)場總線：目前比較熱門的接口其他：2022/7/26142.6 常見通訊接口舉例3.1 數(shù)據(jù)傳輸中的報文報文(message)是通訊中交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，即站點(diǎn)一次性要發(fā)送的數(shù)據(jù)塊。報文包含了將要發(fā)送的完整的數(shù)據(jù)信息，其長短很不一致，長度不限且可變。顯然報文也是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膯挝?，傳輸過程中會不斷的封裝成分組、包、幀來傳輸。封裝的方式就是添加一些信息段，那些就是報文頭以一定格式組織起來的數(shù)據(jù)。比如里面有報文類型，報文版本，報文長度，報文

11、實(shí)體等等信息。注意：報文幀；報文是一個完整的內(nèi)容，當(dāng)然可以將一個很長的、很大的報文拆分成幾個小的報文報文不是由硬件完成的，而是由通訊雙發(fā)約定的（協(xié)議）由于為通訊使用，所以報文還必須考慮到便于傳輸、校驗(yàn)、信息說明等內(nèi)容2022/7/26153 報文、包和幀的概念一般在ISO的網(wǎng)絡(luò)層，往往將報文拆分后，根據(jù)各自的通訊協(xié)議進(jìn)行封裝，并下發(fā)到下一層。打包的工作可以分為兩類，一類是需要用戶實(shí)現(xiàn)的，一類則可以依靠硬件驅(qū)動和硬件實(shí)現(xiàn)的。譬如，某網(wǎng)頁的內(nèi)容非常多，不可能僅靠一個報文就夠的。因此可以對報文進(jìn)行拆分。拆分后，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行打包傳遞。但是將較大的報文進(jìn)行拆分，將面對多的問題（略）。有些工作目前已經(jīng)被

12、整合到驅(qū)動中，有些則需要用戶自己實(shí)現(xiàn)。在有些接口協(xié)議中，幀數(shù)據(jù)就是包數(shù)據(jù)。但是請不要將包和幀等同起來。對于包的理解，在TCP/IP中應(yīng)用的非常多。推薦書籍：TCP/IP詳解(3卷)，W.Richard Stevens 著，機(jī)械工業(yè)出版社2022/7/26163.2 數(shù)據(jù)傳輸中的數(shù)據(jù)包(packet)通訊傳輸中，幀是由不同的“位”組成的最小數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)包往往也會被拆分，按照幀的單位進(jìn)行傳輸。幀由幾部分組成，不同的部分執(zhí)行不同的功能。例如CAN Bus協(xié)議，將幀同報文一樣，分成幀頭、數(shù)據(jù)、幀尾三個部分。幀頭和幀尾往往由協(xié)議自動指定。幀的大小由通訊設(shè)備來確定，對于有些通訊接口而言，幀的大小是固定的，

13、例如RS232、CAN Bus等；但是有些通訊接口的幀大小是在一定范圍內(nèi)浮動的，例如以太網(wǎng)。不僅在通訊接口中，幀的概念在其他很多地方都有使用。例如，目前的有些高清攝像機(jī)，實(shí)際保存的是圖片，只不過拍攝這些圖片的時間間隔非常短，連續(xù)起來就像視頻（事實(shí)上視頻也是按照幀進(jìn)行劃分的）。這些圖片往往被稱為幀。幀的結(jié)構(gòu)是由相對應(yīng)的通訊接口進(jìn)行確定的。在很多通訊協(xié)議中（例如RS232、CAN Bus、SPI等），報文被拆分成包或幀。因此對于接收方來說，獲取接收信息，必須按照規(guī)則將幀進(jìn)行整合，從而得到報文。2022/7/26173.3 幀(Frame)雖然協(xié)議，或者接口，均帶有編碼和解碼的概念，但是并不是我們說

14、采用何種通訊接口，就可以實(shí)現(xiàn)通訊。在當(dāng)前的很多工業(yè)通訊中，接口并未定義應(yīng)用層和表示層的協(xié)議。換句話說，這些接口只能夠告訴你報文的0、1組成方式，而不能告訴你報文所代表的具體含義。編碼往往具有兩種范疇：將對象數(shù)據(jù)采用約定的協(xié)議（往往自定義），切分成由0、1組成的數(shù)據(jù)段；在通信理論中，編碼是對原始信息符號按一定的數(shù)學(xué)規(guī)則所進(jìn)行的變換。編碼的目的是要使信息能夠在保證一定質(zhì)量的條件下盡可能迅速地傳輸至信宿。事實(shí)上，在應(yīng)用中這兩種范疇都使用到了。解碼則是編碼的逆過程。2022/7/26184 編碼(Code)和解碼(Decode)某設(shè)備中，采用以太網(wǎng)傳輸采樣數(shù)據(jù)、控制命令、狀態(tài)信息等內(nèi)容。2022/7/

15、26195 報文編碼和解碼示例1考慮：如何來保證接收方能夠接收到來自發(fā)送方的數(shù)據(jù)和指令？必須保證不能丟數(shù)據(jù)；必須保證能夠正確的理解數(shù)據(jù)背后的含義；顯然需要分析對象特征從而確定以下內(nèi)容分析應(yīng)用環(huán)境，以保證可靠性分析數(shù)據(jù)流量和傳輸特征，來確定傳輸速率、帶寬分析交互方法，從而確定通訊協(xié)議分析數(shù)據(jù)類型，劃分報文分析傳遞的信息內(nèi)容，確定報文編碼、解碼方式其他；以上內(nèi)容并非各自獨(dú)立，確定使用何種通訊協(xié)議必須綜合考慮所有因素，有時因素之間存在矛盾的問題，因此需要根據(jù)對象特性進(jìn)行平衡。如果經(jīng)過綜合分析和論證，選定了通訊協(xié)議和接口，那么報文的編碼和解碼方式則可以開始。2022/7/26205 報文編碼和解碼示例

16、1(續(xù)1)在這里，我們將所有的報文分為三個部分：報文頭、報文正文、報文尾。 報文結(jié)構(gòu) 報文頭結(jié)構(gòu) 報文尾結(jié)構(gòu) 2022/7/26215 報文編碼和解碼示例1(續(xù)2)b0 b7 b15報文起始標(biāo)識符：0 x55aa報文總長度（報文頭報文正文填充字段）發(fā)送方標(biāo)識報文類型標(biāo)識時戳（內(nèi)容不定）b0 b7 b15報文校驗(yàn)和報文結(jié)束標(biāo)志符： 0 xff00在報文頭中：報文起始標(biāo)志：0 x55AA是常用的標(biāo)志由于存在多種報文，每種報文長度并不確定，為了方便將幀數(shù)據(jù)組裝成報文，則需要給出報文長度發(fā)送方標(biāo)識：由于具有多個設(shè)備，每個設(shè)備均可以做發(fā)送方，并且每個發(fā)送方數(shù)據(jù)的含義不同，因此為了方便解碼必須指定發(fā)送方，

17、從而使用對應(yīng)的編碼方式。（當(dāng)然還有其他原因，略）報文類型：有時候一個個發(fā)送方會發(fā)送多種報文，為了區(qū)別這種來自單個設(shè)備的多個報文。（問：如果這樣為啥還用發(fā)送方標(biāo)識）時戳：當(dāng)前報文發(fā)送和接收到的時間。報文尾的主要目的在于：如何確定報文結(jié)束；如何確定報文接收的正確性；如何保證幀組裝和解碼時，不會出錯。2022/7/26225 報文編碼和解碼示例1(續(xù)3)在報文頭中的“發(fā)送方標(biāo)識”和“報文類型”已經(jīng)具有編碼的概念了，例如用0 x0801 表示“動力系統(tǒng)集中監(jiān)控臺”，用0 x0001表示該報文類型。但是在報文正文中，各個數(shù)據(jù)的定義則涉及到較多的內(nèi)容，并非像報文頭那樣簡單指定。報文正文涉及到以下內(nèi)容：數(shù)據(jù)

18、內(nèi)容：例如發(fā)送哪些數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)類型：這些數(shù)據(jù)時開關(guān)量、數(shù)值量（浮點(diǎn)、定點(diǎn)、正負(fù)）數(shù)據(jù)長度：有些數(shù)據(jù)位32bit，有些為8bit；數(shù)據(jù)的取值范圍：數(shù)據(jù)的單位：數(shù)值量往往有其物理含義，例如表征壓力、電流等發(fā)送數(shù)據(jù)的先后順序：哪個數(shù)據(jù)先發(fā)送，哪個后發(fā)送；編碼和解碼方式：如何使用數(shù)字量表示這些浮點(diǎn)、定點(diǎn)、正負(fù)數(shù)值，并且接收方如何針對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。對于其中的一些報文請參見文檔：2022/7/26235 報文編碼和解碼示例1(續(xù)4)由于報文是一個組裝起來的數(shù)據(jù)段，因此可以使用封裝包的方法來進(jìn)行編程。目前多種語言提供了這種封裝方法，例如C/C+的結(jié)構(gòu)體、C+的類、Delphi的類、JAVA的類。事實(shí)上封裝的方

19、法很多，例如：方法1：采用結(jié)構(gòu)體嵌套的方式，能夠較清楚的反映報文大致結(jié)構(gòu)。每個被嵌套的結(jié)構(gòu)體采用各自的字段進(jìn)行編寫。方法2：使用完整的結(jié)構(gòu)體表示一個報文的具體結(jié)構(gòu)。2022/7/26246 報文編碼和解碼的編程/ C示例：方法1struct _tagMsg_XXX /名稱 struct 報文頭結(jié)構(gòu)體; struct 報文正文結(jié)構(gòu)體; struct 報文尾 結(jié)構(gòu)體; 其他字段;typedef struct _tagMsg_XXX SSMSG_XXX, *PSSMSG_XXX;方法1和方法2的本質(zhì)是一樣的，但是在報文正文中存在多種定義字段的方式。例如，按幀流的方式定義、或者按照數(shù)據(jù)內(nèi)容的方式定義字

20、段。2022/7/26256 報文編碼和解碼的編程(續(xù)1)/方法1：報文頭的定義（C示例）typedef struct _tagMsgBody_XXX /名稱 UINT16 msg_tag; /報文起始標(biāo)志符 UINT16 msg_len; /報文長度 UINT16 msg_id; /發(fā)送方標(biāo)識 UINT16 msg_type; /報文類型標(biāo)識 UINT32 msg_time; /時戳 MSG_HEADERINFO, *LP_MSG_HEADERINFO;/方法1：采用數(shù)據(jù)內(nèi)容定義報文正文typedef struct _tagMsgBody_XXX /名稱 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)名稱; /第1個字段 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)名稱; /第2個字段 數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)名稱; /第n個字段 SS