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2019年09月07日 | STM32与上位机串口通讯的学习笔记(简明的数据帧设计方法)
2019-09-07 来源：eefocus
最近因为项目需要，需要做一个STM32和Windows的串口通讯协议来交换数据，本着追求极致的心态，来讨论一下简明的数据帧的设计方法。
##数据的传输方式
对于很多单片机初学者而言，可能他们接触到串口 首先想到的就是通过串口打印字符串，然后就会很理所当然的想到了用“打印”的方式来传输数据。
比如我们需要传输一个float型的数据value，可能小白们首先会想到的方式就是串口重定向printf然后像下面这样把数据传输过去
printf("%f",&value);
但是实际上，对于程序之间的交流，使用字符串打印这样的方式是非常浪费传输数据的，因为假设这个浮点数据为1234.567占了8个字符（小数点也占一位） 所以用字符串传输的方式就需要通过串口传输8个字节，但是实际上float类型在内存里面永远都是占用4个字节，所以使用字符串的传输效率是非常低的，并且这样传输 上位机收到的也是字符串，还得把字符串的数据读出来重新放到一个float类型的数据里面，才可以进行运算。
因此，通过串口传输的数据基本上都是通过直接传输内存数据来实现的。
它的原理大概是这样 同样以float类型作例子
当你在程序里面声明了一个float类型的变量的时候，程序会为这个变量开辟一个4字节的内存空间，然后这4个字节的内存数据唯一决定了这个float类型的数据（具体实现方式可以百度float类型的存储方式）。因此，我们的串口只要把这4个字节的数据通过串口传输到上位机，然后上位机根据传输协议直接把这4个字节写入到一个float类型的内存空间中，然后这个float类型的数据也就随之完成了。
为了方便这个过程的实现 我们可以定义一个联合体
typedef union{
float value;
unsigned char sendbuf[4];
}send_type;
这样定义的好处就是：联合体内的所有成员共用一片内存空间
然后我们需要传输数据float型数据的时候，我们只需要声明一个send_type类型，然后对send_type的value直接赋值，然后与此同时sendbuf的数据也会因此改变，我们就可以直接发送sendbuf[4]这四个字节了。建议在上位机的程序里面也使用同样的联合体，然后当上位机的snedbuf[4]放入接收的4个字节之后，value就可以直接读出所需要的数据了。然后对于其他各种数据类型，如double,long int之类的类型同样也可以使用这种方式来传输，只需要注意好各种数据类型需要占用的内存空间就可以了
##组合数据的传输方式的注意事项
通过上面的方式，我们通过传输内存数据的方式来传输单个数据了，那么当我们需要传输多个数据呢？
或者说，传输的并不是直接的数据，而是带有一定的开头，结尾的数据，假如协议规定数据起始要先发一个字节的标志0x0d，然后传输两个float型数据，再以结束标识符0x0d结尾
(此处0x0d是人为规定，协议可以要求为其他值)
这时候只考虑联合体的话并不能解决我们的问题
这时候结构体就派上用场了
typedef struct{
unsigned char head;
float send1;
float sned2;
unsigned char end;
}sned_frame;
像这样我们就可以按照顺序把协议整合成一个结构体的形式，编译器会根据结构体内成员顺序在内存里按顺序分配内存空间，上位机和单片机共用同一种结构体形式，然后只需要设定好帧内各成员内容之后，把结构体直接发过去，好像就可以了？？
其实问题并没有想的这么简单。结构体虽然会占用一片连续的内存空间，但是实际上结构体内的成员并不一定是连续分配内存空间的。可以实践，刚刚声明的结构体，它并不是只占用1+4+4+1=10个字节的内存空间。为什么会这样呢？因为编译器在分配内存时会按照内存对齐的方式来分配内存，因此前面的unsigned char变量为了和float对齐，编译器为其分配了4个字节的空间。这会导致我们协议的帧长度增加一些没有意义的空的数据，并且判断帧长度将变得复杂。
（当然，其实如果上位机和stm32的内存对齐的方式恰好是一样的话，只要保证把整个结构体传输过去，整个通信应该还是可以完成的）
那么如何取消编译器的内存自动对齐呢？
我们可以在结构体定义后紧跟一句attribute ((packed))
这一句的意义是将该定义的内存分配强行按最小位对齐（也就是按字节对齐）。
那么我们修改后的结构体定义是这样的：
typedef struct{
unsigned char head;
float send1;
float sned2;
unsigned char end;
}_attribute__ ((__packed__)) sned_frame;
可以实践，对现在的结构体使用sizeof关键字，得到的的长度为10。这样就可以压缩帧的长度，避免数据浪费了。在需要改动协议的时候，也只需要简单的增加结构体的成员即可。
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2018年6月4日11:26:30后记:
在STM32的开发中,如果使用了硬件浮点数解算的话,同时又存在串口发送浮点型数据的话,此时最好不要压缩数据帧,按照编译器的自动补充空字节来发送,上位机也保持一样的数据包.因为硬件浮点解算涉及到了内部的专用电路,而此时如果浮点数没有内存对齐的话是无法使用硬件解算从而出现错误的.这时候会带来不必要的麻烦. 当然 如果需要和性能受限制的设备进行通信,不舍得填充空数据的话,在涉及内存不对齐的浮点数据可以先开一个临时变量进行操作,在进行发送的前一刻使用memcpy函数将浮点数放进数据帧内也是可以的
史海拾趣
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