一種基于SLIP 協(xié)議的串行數(shù)據(jù)解析方法

李逸楠，孫麗君，王 欣，所玉君

（1.天津津航計算技術(shù)研究所，天津 300308；2.天津市航空電子綜合顯示控制重點實驗室，天津 300308；3.天津航海技術(shù)研究所，天津 300131）

1 背景

在嵌入式系統(tǒng)中，分系統(tǒng)間最常用的數(shù)據(jù)傳輸方式是采用各種串口進(jìn)行通訊，比如RS232/RS422/RS485等[1-3]。拋開底層硬件設(shè)計的不同，通常在鏈路層通過一些協(xié)議來保證發(fā)送方與接收方數(shù)據(jù)的一致性。

SLIP協(xié)議是一種常用的鏈路層通訊協(xié)議，規(guī)定了幀頭、幀尾、在幀頭幀尾之間如果出現(xiàn)幀頭或幀尾字符，則按照一定的規(guī)則進(jìn)行替換，保證發(fā)送方在幀頭幀尾間不會出現(xiàn)幀頭幀尾對應(yīng)的字符[4]；接收方收到數(shù)據(jù)后，也需要按照幀頭幀尾把數(shù)據(jù)解析出來，再按照替換規(guī)則把有效數(shù)據(jù)還原。這時得到的數(shù)據(jù)就可以按照上層協(xié)議進(jìn)一步解析，得到有意義的數(shù)據(jù)。不同的項目有具體的上層協(xié)議，解析的方法不盡相同，但基本思路是一致的。本文涉及到的協(xié)議及硬件可返回的數(shù)據(jù)如下。

1.1 SLIP協(xié)議

以0xc0為幀頭，0xc0為幀尾，幀頭幀尾間如果出現(xiàn)0xc0，則以連續(xù)兩個字符0xdb和0xdc取代；如果幀頭幀尾間出現(xiàn)0xdb，那么就用連續(xù)兩個字符0xdb和0xdd替代；接收方也按照這個規(guī)則還原接收到的數(shù)據(jù)。

1.2 上層協(xié)議

經(jīng)SLIP協(xié)議解析后的數(shù)據(jù)為一個完整的數(shù)據(jù)幀，格式如表1所示。

表1 消息幀格式

1.3 可從硬件獲取的信息

UINT16 ReciveCοunt：自硬件上電以來收取到的所有字符數(shù)，數(shù)據(jù)類型為UINT16，無符號的16位整型。

UINT8 DataRev[2048]：數(shù)據(jù)接收緩存，硬件接收到數(shù)據(jù)之后會按順序記錄在緩存中，最多可存放2 048個字節(jié)，當(dāng)超過2 048個字節(jié)，新數(shù)據(jù)從頭開始存放。

2 需求分析

根據(jù)背景說明，可以分析出數(shù)據(jù)解析具體需求有以下幾點：①需要根據(jù)硬件提供的信息計算出每周期接收到的新數(shù)據(jù)個數(shù)，并從數(shù)據(jù)緩存中取出新數(shù)據(jù)；②需要按照SLIP協(xié)議解析出原始數(shù)據(jù)，并將接收方回復(fù)的數(shù)據(jù)按照SLIP協(xié)議處理后發(fā)送；③如果一個周期內(nèi)未接收到一個完整的數(shù)據(jù)幀，需要將不完整的數(shù)據(jù)幀存儲起來，待下一個周期接收到數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，保證數(shù)據(jù)的完整性；④需要將解析出的原始數(shù)據(jù)整理為上述數(shù)據(jù)幀格式。一個周期內(nèi)如果有多條數(shù)據(jù)幀，則都需要保存起來。

3 模塊設(shè)計

按照上述需求分析，采用模塊化的設(shè)計思想設(shè)計出以下幾個軟件模塊。數(shù)據(jù)解析過程的總流程如圖1所示。

3.1 不完整數(shù)據(jù)保存模塊Save422Data()

該模塊用來判斷一個周期內(nèi)收取到的數(shù)據(jù)中是否存在不完整的數(shù)據(jù)幀，如果存在，則給出需要保存的數(shù)據(jù)個數(shù)，并將需保存的數(shù)據(jù)存儲在全局?jǐn)?shù)組中。算法的關(guān)鍵是如何判斷是否存在不完整的數(shù)據(jù)幀。本文采用的方法如下：判斷接收到的數(shù)據(jù)中最后一個c0是否就是本次接收到的最后一個數(shù)據(jù)，如果是，說明本次接收的是一幀完整的數(shù)據(jù)；如果最后一個c0不是最后一個數(shù)據(jù)，說明本次接收到了不完整的數(shù)據(jù)，需要將最后一個c0之后的數(shù)據(jù)保存起來。

需要特別注意的是，主要有以下兩種情況需要單獨處理：①本周期內(nèi)就只收到了一個數(shù)據(jù)，而這個數(shù)據(jù)恰好就是c0。如果按照之前的條件判斷，不會把這單獨的c0認(rèn)為是一個不完整的數(shù)據(jù)幀，就不會保存這個c0，導(dǎo)致下一周期收取的數(shù)據(jù)沒有幀頭或幀尾，解析數(shù)據(jù)就會出錯。正確的做法是遇到僅有一個c0的情況，要把這個c0保存起來，在下一周期拼接在收到數(shù)據(jù)之前。②收到數(shù)據(jù)不止一個，且最后一個c0確實也是本周期收到數(shù)據(jù)的最后一個，但這個c0之前還是個c0。如果按照最開始的條件判斷，會誤認(rèn)為這是一幀完整的數(shù)據(jù)，而事實上，連著的兩個c0前者是上一幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾，后者是下一幀數(shù)據(jù)的開頭。正確的做法是當(dāng)遇到最后一個c0就是最后一個數(shù)據(jù)的情況，還需要額外判斷這個c0之前是否是c0。如果不是，則說明確實是完整的數(shù)據(jù)，無需保存數(shù)據(jù)；如果是，則說明恰好收到了下一幀數(shù)據(jù)的開頭，需要把這個c0保存起來，在下一周期拼接在收到數(shù)據(jù)之前。經(jīng)過以上分情況處理，就可以保證不會漏掉一幀不完整的數(shù)據(jù)。程序控制流如圖2所示。

圖1 數(shù)據(jù)解析過程

3.2 底層收數(shù)模塊px_422recive()

該模塊負(fù)責(zé)判斷何時有新數(shù)據(jù)傳來，并從硬件緩存中取出新數(shù)據(jù)。基本思路是設(shè)計兩個全局變量，一個用來存放當(dāng)前周期的ReciveCοunt值（num），一個用來存放上一個周期的ReciveCοunt值（numοld）。如果當(dāng)前值等于上周期值，則表明無新數(shù)據(jù)傳來，如果當(dāng)前值大于上周期值，則表明有新數(shù)據(jù)，需要從硬件內(nèi)存中取出數(shù)據(jù)。新數(shù)據(jù)為從DataRev[numοld]開始到 DataRev[numοld+（num-numοld-1）]的數(shù)據(jù)。上述規(guī)律在ReciveCοunt小于2 048個數(shù)據(jù)時成立；當(dāng)ReciveCοunt大于2 048個數(shù)據(jù)時，新數(shù)據(jù)將保存在緩存區(qū)的開頭，這時情況稍顯復(fù)雜。因為物理內(nèi)存只有2 048 Byte，首先應(yīng)將ReciveCοunt值對2 048取余，這樣就將ReciveCοunt換為2 048以內(nèi)的數(shù)值。則一旦數(shù)據(jù)超過2 048從頭開始時，前述取數(shù)規(guī)律又可以使用。需要分情況討論的就只剩上一周期數(shù)據(jù)（numοld）小于2 048，而當(dāng)前周期數(shù)據(jù)大于2 048的情況了。由于取余處理，當(dāng)前周期的ReciveCοunt實際值為余數(shù)（num），如果一個周期數(shù)據(jù)量不超過2 048個，則一定有num小于numοld。此條件可作為特殊情況的判斷條件，這時新數(shù)據(jù)應(yīng)該是內(nèi)存尾部DataRev[numοld]開始到DataRev[numοld+（2048-numοld-1）]的數(shù)據(jù)與內(nèi)存頭部DataRev[0]開始到DataRev[num-1]的數(shù)據(jù)拼接而成。程序控制流程如圖3所示。

圖2 不完整數(shù)據(jù)保存模塊控制流程圖

3.3 鏈表數(shù)據(jù)插入模塊ListInsert()

在SLIP協(xié)議解析過程中，需要根據(jù)規(guī)則，在數(shù)據(jù)中指定位置插入特定的數(shù)據(jù)。例如“如果幀頭幀尾間出現(xiàn)0xdb，那么就用連續(xù)兩個字符0xdb和0xdd替代”這一條規(guī)則其實就是在0xdb之后插入一個0xdd。為滿足這個需求，設(shè)計了一種鏈表類型結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體設(shè)計如下：

typedef struct

{

UINT8RevBuf[MAXSIZE]；

int charnum；

}SqList；

該結(jié)構(gòu)體由一個字符數(shù)組和一個整型變量組成，字符數(shù)組用來存放消息數(shù)據(jù)，整型變量用來存放消息包含的字符個數(shù)，MAXSIZE為數(shù)據(jù)最大長度，由實際傳輸數(shù)據(jù)最大長度確定。

鏈表數(shù)據(jù)插入模塊的操作對象就是這種鏈表數(shù)據(jù)，輸入一個待操作的鏈表，待插入的數(shù)據(jù)，以及插入的位置，鏈表數(shù)據(jù)插入模塊輸出插入數(shù)據(jù)之后的鏈表，并自動更新數(shù)據(jù)長度。程序控制流如圖4所示。

圖3 底層收數(shù)模塊程序流程

3.4 鏈表數(shù)據(jù)刪除模塊ListDelete()

在SLIP協(xié)議解析過程中，需要根據(jù)規(guī)則，刪除數(shù)據(jù)中指定位置的數(shù)據(jù)。例如“幀頭幀尾間如果出現(xiàn)0xc0，則以連續(xù)兩個字符0xdb和0xdc取代”這條規(guī)則需要刪掉不是幀頭幀尾的0xc0，然后利用上一小節(jié)設(shè)計的鏈表數(shù)據(jù)插入模塊在刪掉的位置依次插入0xdc，0xdb。刪除指定位置數(shù)據(jù)之后，其后數(shù)據(jù)依次向前移動一位，并讓數(shù)據(jù)長度減1。程序控制流如圖5所示。

3.5 協(xié)議解碼模塊Decode422data()

協(xié)議解碼模塊的輸入為兩個，一是待解碼的數(shù)據(jù)長度，二是待解碼的數(shù)據(jù)緩存區(qū)；輸出為消息幀結(jié)構(gòu)體數(shù)組，返回值為解析出的消息個數(shù)。簡單介紹輸出的消息幀結(jié)構(gòu)體為：

typedef struct

{

UINT16 DataID；

UINT16 DataLen；

UINT8 DataItem[80]；

UINT16 CheckSum；

}MessageRev；

該結(jié)構(gòu)體與表1所述數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)一致，DataID代表數(shù)據(jù)ID，DataLen代表數(shù)據(jù)長度，DataItem[80]代表有物理意義的數(shù)據(jù)內(nèi)容（假設(shè)數(shù)據(jù)內(nèi)容不會超過80個字符），CheckSum表示校驗和。假設(shè)一個周期內(nèi)傳來的消息不會超過10幀，則需創(chuàng)建一個可存儲10幀消息的結(jié)構(gòu)體數(shù)組MessageRev Message[10]。

圖4 鏈表數(shù)據(jù)插入模塊

圖5 鏈表數(shù)據(jù)刪除模塊

解碼主要分為三個步驟：①從待解碼的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中把兩個c0之間的數(shù)據(jù)取出，存放在上述鏈表結(jié)構(gòu)中，同時記錄好數(shù)據(jù)長度，并記錄下解析出的消息幀條數(shù)；②如果解析出消息幀條數(shù)大于0，就按照SLIP協(xié)議的規(guī)則，把每一條消息幀中該刪除的刪掉，該插入的插入，得到解析后的數(shù)據(jù)幀；③從解析好的數(shù)據(jù)中提取出MessageRev結(jié)構(gòu)體所需的各變量，按順序存放在Message[10]結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，有幾幀消息就占用數(shù)組中的前幾個；返回消息幀條數(shù)，這樣就把原始數(shù)據(jù)解析為可以直接用來判斷處理的上層協(xié)議幀格式。

程序流程如圖6所示。

圖6 協(xié)議解碼模塊

3.6 協(xié)議編碼模塊Incode422data()

待發(fā)送數(shù)據(jù)需要根據(jù)SLIP協(xié)議要求進(jìn)行編碼，調(diào)用ListDelete模塊將需要替換的字符刪除，調(diào)用ListInsert模塊插入規(guī)定的字符。全部替換完畢后，調(diào)用ListInsert模塊在待發(fā)送數(shù)據(jù)開始和結(jié)尾分別插入0xc0，完成數(shù)據(jù)的SLIP協(xié)議編碼。具體流程如圖7所示。

圖7 協(xié)議編碼模塊

4 實驗及結(jié)果

首先測試底層接收數(shù)據(jù)功能是否正確，測試設(shè)備通過232串口向本設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，波特率460.8 Kbps，測試設(shè)備向本設(shè)備發(fā)送1 247 030個字節(jié)，在本設(shè)備讀取記錄的接收字節(jié)數(shù)也是1 247 030，說明基本的接收數(shù)據(jù)功能正常。

測試設(shè)備接著向本設(shè)備發(fā)送不同類型的數(shù)據(jù)，包括周期性數(shù)據(jù)與事件性數(shù)據(jù)，不同消息幀發(fā)送與接收到的幀計數(shù)如表2所示。

表2 消息幀解析實驗結(jié)果

根據(jù)實驗結(jié)果可以看到，周期性消息不同ID的數(shù)據(jù)幀接收到的個數(shù)是一致的，且發(fā)送與接收到的幀計數(shù)相同，說明周期性數(shù)據(jù)幀接收與解析功能正確。在周期性數(shù)據(jù)發(fā)送過程中中隨機(jī)的發(fā)送事件性消息，可以看到發(fā)送幀計數(shù)與接收幀計數(shù)相同，說明隨機(jī)的事件性數(shù)據(jù)幀也可以完整接收并解析出來。具體的幀內(nèi)容，如果消息ID解析正確，則容易根據(jù)項目協(xié)議解析出來，不再贅述。

5 結(jié)論

本文給出了一種基于SLIP協(xié)議的串行數(shù)據(jù)解析方法，對解析過程中的各個模塊進(jìn)行了詳細(xì)描述。特別描述了數(shù)據(jù)幀不完整情況下數(shù)據(jù)的存儲與拼接方法。將各個模塊集成為完整的數(shù)據(jù)解析軟件并經(jīng)過大量數(shù)據(jù)測試，結(jié)果表明數(shù)據(jù)接收無丟數(shù)現(xiàn)象，數(shù)據(jù)幀解析完整，不論周期性數(shù)據(jù)和事件性數(shù)據(jù)均無丟幀現(xiàn)象。本方法可適用于大多數(shù)串行通訊過程，具有適用面廣、解析方法簡單可靠之優(yōu)點。