可靠串口通信协议

本文描述了基于串口进行数据帧通信的协议设计和实现方法。

数据帧格式

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| 前导码 | 头部 | 数据 | 校验 |

• 前导码: 用于帧同步，通知接收端数据帧开始
• 头部: 帧描述信息，包括长度，帧ID，ACK，版本号等
• 数据: 有效载荷
• 校验: 对头部和数据部分的CRC校验

发送端

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数据结构:

• 一个固定长度的发送队列，例如10个数据帧的链表
• 重传定时器，取值为一个数据帧的传输时延

执行循环:

1. 如果队列有空闲空间，取上层应用缓存中的数据帧发送，否则
2. 如果重传定时器超时，取发送队列中最老的数据帧发送
3. 如果没有数据帧可以发送，取消重传定时器，否则，
4. 重置重传定时器
5. 发送前导码
6. 发送数据帧
7. 发送校验码
8. 如果接收到成功答复，从队列中去除该数据帧。如果该帧不是队列中最老的帧，说明发生帧丢失，立刻触发重传机制
9. 如果接收到失败答复，从队列中重传该数据帧，并重置重传定时器

设计说明：

• 发送队列的目的是为了提高发送速度，不需要严格顺序化发送数据包。
• 可以将每个队列看作一条数据流，头部加入流ID后可以支持多条数据流，这时需要一个调度器进行流量调整

接收端

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数据结构:

• 一个固定长度的发送队列，例如10个数据帧的链表
• 最后接收的帧ID

执行循环：

1. 接收前导码，并丢弃无效数据，直到发现有效前导码。如果一直没有发现前导码，返回失败答复。
2. 接收头部，解析长度信息，并做有效性验证，如果验证无效，返回失败答复。如果在头部中发现前导码，则认为是新的数据帧开始，重新开始接收头部。
3. 接收数据，接收CRC，并作有效性验证，如果验证无效，返回失败答复。如果在数据和CRC中发现前导码，则认为是新的数据帧开始，重新开始接收头部。
4. 数据帧接收完毕，返回成功答复。
5. 尝试将数据帧加入接收队列，如果发现重复帧，直接丢弃，否则按帧ID进行顺序插入。如果该帧是最后一次成功接收的下一帧，则通知应用层获取数据，数据取走后，更新最后接收帧ID。
6. 如果接收队列已满，则通知发送端停止发送，知道有足够空闲空间再通知发送端重传。

设计说明：

• 接收队列的目的跟发送队列类似，另外提供基于帧ID的排序功能
• 在整个接收过程中持续检测前导码，避免丢弃有效数据帧
• 接收端对发送端进行抑制，防止上层应用接收数据不及时导致发送端无效重传

ACK帧格式

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单向数据流简化设计

接收端发送返回帧时，通信角色发生调换，原来的接收端变为发送端，原来的发送端变为接收端。为了简化这个阶段的协议设计，避免重复执行上述流程，可以将ACK帧按照最简单形式设计，比如仅用1个字节来表示：

|一字节返回码|

返回码取值:

• 0：表示接收端缓存已满，停止发送
• -128：表示接收端缓存有空闲，发送端可以继续发送
• +N: 表示成功接收到帧ID为N的数据帧，取值范围 [1, 127]
• -N: 表示帧ID为N的数据帧接收失败，取值范围 [-1, -127]

进一步说明：

• 没有前导码，单个字节表述所有信息
• 有效帧ID为 [1, 127]，超过127后帧ID会回绕为1。因此发送和接收端在127边界处要保证前面的数据帧完全传输成功后再进行回绕处理。

双向数据流设计

在双工模式下，无法进行上述简化处理，通信两端互为发送端和接收端，此时ACK可以作为独立数据帧发送，也可以夹在有效数据帧头部发送。

前导码

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如果前导码在有效数据帧中出现，那么会被误认为是新的数据帧开始，从而导致新的数据帧以外校验失败而丢弃，这在一定程度上浪费带宽资源。因此要求前导码具有唯一性，不允许出现在数据帧中。一种做法是在发送端对数据帧进行替换处理，将数值与前导码相同的数据进行格式变换。比如前导码为01010101，那么如果可以将该数值扩展为01010101 01010101，在接收端进行反向操作，将01010101 010101替换为01010101。这会增加协议处理的消耗，但是提高了带宽利用率，减少了无效重传的消耗。可以在真实的环境中进行测试这种机制的效果如何。