引言
    Cortex-M3是ARM公司推出的32位處理器,，使用了最新一代的ARMv7架構(gòu),，具有高性能、低功耗和低成本的優(yōu)點(diǎn),。對(duì)那些對(duì)功耗與成本敏感,、但又要求較高性能的嵌入式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，Correx-M3無(wú)疑是最佳解決方案,；而對(duì)成本要求苛刻,、運(yùn)算能力要求不高的設(shè)備來(lái)說(shuō)，嵌入成熟穩(wěn)定的8051處理器,，已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)的流行做法,。目前，越來(lái)越多的嵌入式系統(tǒng)同時(shí)使用了上述兩種MCU,，因此如何使Cortex-M3與8051之間可以高效地進(jìn)行信息交互,，是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。

1 方案設(shè)計(jì)
    要進(jìn)行信息交互,，離不開(kāi)物理接口,。在嵌入式應(yīng)用中，目前常用的接口有UART,、SPI和I2C等串行接口,。UART接口只需兩根數(shù)據(jù)線就可以工作，時(shí)序控制簡(jiǎn)單,，大部分設(shè)備都整合了這種接口,。而且，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后UART的TTL電平可以轉(zhuǎn)換成RS232電平,，RS232接口是計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置的通信接口,，可以通過(guò)超級(jí)終端查看串口的數(shù)據(jù)，便于使用PC機(jī)對(duì)線路進(jìn)行檢測(cè)分析,。因此,，本設(shè)計(jì)采用UART接口作為Cortex-M3與C51之間的通信接口,。
    考慮到各種需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于UART接口的,，用于Cortex-M3和C51之間的通信協(xié)議,，使Cortex-M3與C51之間可以高效地進(jìn)行信息交互。當(dāng)兩個(gè)MCU之間需要進(jìn)行通信的時(shí)候,，發(fā)送方把原始數(shù)據(jù)下放給通信協(xié)議,，通信協(xié)議按照特定格式把數(shù)據(jù)打包，通過(guò)UART接口發(fā)送給對(duì)方,。接收方收到數(shù)據(jù)時(shí),，MCU運(yùn)行相應(yīng)的通信協(xié)議，把數(shù)據(jù)解包,，就可以得到發(fā)送方的原始數(shù)據(jù),，將其交付給上層程序。體系結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

    如果使用其他串行接口,，原理大體相同，只需對(duì)硬件作相應(yīng)改動(dòng),，即對(duì)接口控制模塊稍作修改即可投入使用,。
    下面以實(shí)際工程中某種多媒體系統(tǒng)為例詳細(xì)說(shuō)明。該系統(tǒng)采用了以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32處理器和嵌入了C51核的MST776視頻處理芯片,，使用UART接口進(jìn)行通信,。

2 具體實(shí)現(xiàn)
2．1 硬件設(shè)置
    具體的器件不同，UART的工作方式也有所區(qū)別,，主要表現(xiàn)在波特率,、停止位,、數(shù)據(jù)字長(zhǎng)度等參數(shù)上,。當(dāng)兩個(gè)器件用UART連接時(shí)，所有參數(shù)必須完全一致,，否則通信很容易出錯(cuò)。在此,，要特別注意波特率的設(shè)置：當(dāng)線路質(zhì)量好的時(shí)候,，波特率可以設(shè)置得高點(diǎn)，以獲得較高的傳輸速率,；線路質(zhì)量差的時(shí)候,，就要減小波特率，以降低誤碼率,。
    本設(shè)計(jì)中,，STM32與MST776都整合了UART接口,，只需配置少量電阻；同時(shí),，線纜長(zhǎng)度不超過(guò)20 cm,，使用環(huán)境的電磁干擾小，波特率可以設(shè)置為38 400bps,，甚至更高,。另外，考慮到C51的處理速度較低,，因此波特率不應(yīng)設(shè)置得太高,，避免造成C51側(cè)數(shù)據(jù)溢出，進(jìn)而造成死機(jī),。
    本設(shè)計(jì)只需使用兩根數(shù)據(jù)線來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)MCU之間的互連,，把STM32上選定的UART接口的TX與對(duì)端的UART接口的RX相連，把RX與對(duì)端的UART接口的TX相連,。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
2．2．1數(shù)據(jù)幀解析
    Cortex-M3側(cè)和C51側(cè)采用同樣的數(shù)據(jù)幀格式,，以簡(jiǎn)化編程的難度，增強(qiáng)程序的可移植性,。數(shù)據(jù)幀由起始標(biāo)識(shí)符,、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、類型ID,、通信內(nèi)容,、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼構(gòu)成，如圖2所示,。

    (1)起始標(biāo)識(shí)符
    起始標(biāo)識(shí)符的作用主要是用于定界,，把不同的數(shù)據(jù)幀在一連串的數(shù)據(jù)中分離開(kāi)來(lái)。起始標(biāo)識(shí)符內(nèi)的數(shù)據(jù)不能與數(shù)據(jù)幀中可能出現(xiàn)的任何數(shù)據(jù)相同,，否則會(huì)引起歧義,，導(dǎo)致定界失敗，造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,。在本例中,，為2個(gè)字節(jié)，選用0xFF+0xAA,，因?yàn)樵摻M合與其他數(shù)據(jù)具有排他性,，不會(huì)引起歧義。
    (2)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度
    數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的計(jì)算方法為,，從該位開(kāi)始,，到最后一個(gè)數(shù)據(jù)位結(jié)束，也就是CRC校驗(yàn)位之前的一個(gè)字節(jié),。雖然使用Length位可以表示很長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀,，但在應(yīng)用中應(yīng)盡量采用短幀,，以避免各種干擾因素造成少數(shù)數(shù)據(jù)位出錯(cuò)，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)無(wú)效,，影響通信效率,。同時(shí)，應(yīng)該設(shè)置一個(gè)最大發(fā)送長(zhǎng)度,，以便設(shè)置超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器的值,。本例采用1個(gè)字節(jié)，最大幀長(zhǎng)為260個(gè)字節(jié),。
    (3)類型ID
    根據(jù)實(shí)際需要,，類型ID可以采用1個(gè)或多個(gè)字節(jié)，用于表示該數(shù)據(jù)幀的作用類型,。本例中,，采用1個(gè)字節(jié)，可以表示256種作用類型,，例如設(shè)備參數(shù)幀(如音量),、線路探測(cè)幀或應(yīng)答幀。
    (4)通信內(nèi)容
    通信內(nèi)容與類型ID結(jié)合,，表達(dá)特定意義,。相同的Data，但I(xiàn)D不同的話,，表達(dá)的信息不一樣,。根據(jù)不同的ID，Data的長(zhǎng)度可能會(huì)有所不同,。
    (5)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼
    循環(huán)冗余校驗(yàn)碼用于校驗(yàn)接收到的數(shù)據(jù)是否在傳輸過(guò)程中出錯(cuò),。本例中采用CRC-16算法，占2個(gè)字節(jié),，對(duì)從起始標(biāo)識(shí)符開(kāi)始到最后一個(gè)通信內(nèi)容位的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,，把得到的結(jié)果附在最后。
2．2．2 收發(fā)流程
    發(fā)送流程：將要發(fā)送的數(shù)據(jù)添加起始標(biāo)識(shí)符和長(zhǎng)度后,，計(jì)算CRC-16校驗(yàn)碼,，附在最后，形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀,，然后通過(guò)UART發(fā)送出去,。發(fā)送完畢后啟動(dòng)超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器。
    接收流程：當(dāng)接收到一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí),，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)采取不同的操作,。當(dāng)數(shù)據(jù)上交后,，上層程序根據(jù)類型ID和通信內(nèi)容來(lái)作出相應(yīng)的響應(yīng),。具體流程如圖3所示,。

2．2．3 線路檢測(cè)機(jī)制
    雖然本例中的UART接口是一種有線通信，而且線纜長(zhǎng)度不超過(guò)20 cm,，但仍有可能出現(xiàn)插口松脫,、線纜銅芯斷裂等情況，造成線路中斷,。對(duì)于轉(zhuǎn)換成RS232電平的應(yīng)用,，雖然RS232的最大傳輸距離不超過(guò)15 m，但如果在惡劣的環(huán)境中使用,，仍無(wú)法完全避免線路發(fā)生中斷,。因
此，有效的線路檢測(cè)機(jī)制是必需的,。
    本設(shè)計(jì)中,，當(dāng)本端系統(tǒng)狀態(tài)為Null時(shí)，每間隔1 s就發(fā)送一個(gè)線路探測(cè)幀,，類型ID=0x00,，通信內(nèi)容=0x55。同時(shí),，如果本端在5 s內(nèi)收不到任何新數(shù)據(jù)或者線路探測(cè)幀,，則表明線路中斷，向上層程序發(fā)送線路中斷報(bào)告,。對(duì)于需要交互秒時(shí)間信息的應(yīng)用,，線路探測(cè)幀可以省略，只檢測(cè)秒時(shí)間信息就可以達(dá)到線路探測(cè)的目的,。
2．2．4 校正機(jī)制
    因?yàn)榇型ㄐ牌毡榇嬖谡`碼的問(wèn)題,，因此簡(jiǎn)單有效的校正機(jī)制是必須的。由于采用的是點(diǎn)到點(diǎn)的串行接口,，數(shù)據(jù)幀都是按照發(fā)送的先后順序到達(dá)接收端,，不會(huì)出現(xiàn)后一幀比前一幀早到的情況，只需要采用CRC-16和簡(jiǎn)單的ARQ機(jī)制,，再加上超時(shí)重傳機(jī)制,，就可以提供高可靠的數(shù)據(jù)傳輸。
    接收方收到一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀之后,，必須給發(fā)送方返回一個(gè)ACK幀,，該幀的類型ID=0xFF。通信內(nèi)容根據(jù)校驗(yàn)的結(jié)果有所不同：校驗(yàn)正確的,，Data=1,；校驗(yàn)失敗的，Data=0,。
    發(fā)送方發(fā)送完一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀之后,，啟動(dòng)超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器,。如果在計(jì)時(shí)器超時(shí)之前沒(méi)有收到ACK幀，或者收到的ACK幀的Data為0,，就重發(fā)上一個(gè)數(shù)據(jù)幀,；當(dāng)收到ACK幀之后，計(jì)時(shí)器歸零,。發(fā)送方只有在收到Data為1的ACK幀后,，才能發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)幀。當(dāng)連續(xù)超時(shí)5次時(shí),，表明線路中斷,，向上層程序發(fā)送線路中斷報(bào)告。
    ACK幀和線路檢測(cè)幀無(wú)須應(yīng)答,。發(fā)送這兩種幀之后,，無(wú)須設(shè)置超時(shí)重傳計(jì)時(shí)器。
2．2．5 接口控制
    接口控制主要管理UART接口的收發(fā),，在此采用中斷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn),。若有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則必須等發(fā)送緩存為空時(shí),，才能把數(shù)據(jù)寫入到發(fā)送緩存,，否則會(huì)把舊的數(shù)據(jù)覆蓋掉，造成數(shù)據(jù)丟失,。當(dāng)數(shù)據(jù)寫入結(jié)束后,，產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送中斷，通知MCU把數(shù)據(jù)通過(guò)UART接口發(fā)送出去,。當(dāng)收到一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí),，UART產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，通知MCU把數(shù)據(jù)放入接收緩存,，保存完成后清除中斷信號(hào),，等待接收下一個(gè)數(shù)據(jù)。只需修改接口控制部
分,，就可以適用于不同的硬件接口,。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析
    為了驗(yàn)證本串行通信協(xié)議的有效性，連接STM32和MST776的UART接口,，在這兩個(gè)MCU上運(yùn)行本通信協(xié)議,，并在線纜上引出兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)，使用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，然后接到PC機(jī)的RS232接口上,，進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)。通過(guò)Windows的超級(jí)終端，可以在PC機(jī)上看到UART接口收發(fā)數(shù)據(jù)的狀況,。同時(shí),，通過(guò)JTAG接口可以看到通信協(xié)議向上層程序交付的數(shù)據(jù)。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，本通信協(xié)議工作正常，收發(fā)數(shù)據(jù)正確,，校正機(jī)制和線路檢測(cè)機(jī)制都工作良好,。運(yùn)行本通信協(xié)議后，兩個(gè)MCU都沒(méi)有出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出,、死機(jī)等情況,。這表明本文設(shè)計(jì)的串口通信協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能，令Cortex-M3與C51之間可以有效地進(jìn)行信息交互,。

結(jié)語(yǔ)
    本文基于Cortex-M3與C51之間的通信需求,，設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)據(jù)幀的通信協(xié)議，使得兩個(gè)MCU間可以進(jìn)行有效的信息交互,。本設(shè)計(jì)已經(jīng)在某型多媒體系統(tǒng)上得到應(yīng)用,，使用效果很好，表現(xiàn)非常穩(wěn)定,。本設(shè)計(jì)具有良好的可移植性和通用性,，在另一個(gè)嵌入式項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)對(duì)程序的少量修改,，也在SPI接口上得到了應(yīng)用,。