RS485 软件流控及数据完整性确保

Languages: zh | Categories: Embeded | Tags: RS485, CDBUS, CDNET | Tuesday, June 05, 2018 | Count: 941

首先串口的流控大家应该都有所了解，通常是硬件 CTS/RTS 或软件 XON/XOFF 这两种流控方式，然而因为 RS485 是总线形式，所以传统的方法都不再适用。

有人会觉得奇怪，貌似从来没有考虑过 RS485 流控的问题，没错，传统 RS485 都是一收一发，用不着考虑流控，然而这种一收一发的效率比较低，譬如在 IoT 火热的今天，如果用 RS485 来传输网络数据，那么传统的做法就很低效了。

然后，针对数据完整性确保的问题，很多同行都没有留意到一个细节问题，他们通常判断是否收到回复 OK 的数据包，如果没收到数据包就超时重发一次。这种做法大多情况都没有问题，但是某些场景，譬如发送一个命令让滑轨左移 10mm, 滑轨成功接收命令并返回 OK, 然而主机因为干扰等各种问题没有收到滑轨的回复，那么重发命令就会导致滑轨错误左移 20mm. 当然你可以说目前用到的设备都是绝对位置控制，不会有影响，但万一哪天新做一个设备，到那时再改协议，难道就不考虑兼容自己以往的产品了吗？

当然还是有很多朋友有注意到这个问题，本文使用的解决方法原理上跟这些朋友也是相同的。

我接下来提出的方案最大的亮点是共用同一套机制，同时解决了流控、数据完整性确保、大数据分包等功能，而且比较高效和简单。

同样，最底层的协议我们依然使用 CDBUS, 因为它比较简单，又支持硬件增强（可以主动避让冲突，实现多主机、对等通讯、主动上报数据等功能），能最大程度体现出本文方法的性能优势。

你可能没有听过 CDBUS 这个名字，但你可能曾经或正在使用相似的协议，它的组成包含 3 个部分： - 3 个字节的头：「源地址，目标地址，用户数据长度」 - 0~255 字节的用户数据（因为数据长度用 1 个字节表示） - 2 个字节的 CRC 校验，涵盖整个数据包，校验算法同 ModBus.

数据包与数据包之间要有一定的空闲时间，来隔开不同的数据包，详细请参见 CDBUS 的协议定义： https://github.com/dukelec/cdbus_ip

譬如地址 0x00 为主机，0x01 为 1 号从机，那么主机发送两个字节数据 0x10 0x11 给 1 号从机的完整数据为：
[00 01 02 10 11 49 f0]

然后 1 号从机回覆单个 0x10 给主机：
[01 00 01 10 04 b8]

然而 CDBUS 只是最底层的协议，接下来我们要定义上述用户数据的格式，最简单常用的方式就是首字节为命令号，然后后面跟可选命令参数；回覆数据第一个字节通常为状态，然后是返回的数据。

这种方式完善之后也有一个名字，叫 CDNET, 它的定义在：https://github.com/dukelec/cdnet
（本文的内容这个连接都有包含，但本文会更加通俗的讲解一下关键细节。）

CDNET 协议有 3 个级别，由首字节的高两位决定：

Bit7	Bit6	描述
0	x	Level 0: 上述最简单的形式
1	0	Level 1: 支持跨网、组播、流控等高阶功能
1	1	Level 2: 裸数据模式，支持大数据拆包，譬如传输 IPv4/v6 数据包

实际使用根据情况自由选择某一个或某几个来用就好。

Level 0 格式

请求

首字节：

位	描述
[7]	等于 0: Level 0
[6]	等于 0: 请求
[5:0]	dst_port, 范围 0~63

CDNET 的端口号可以看做类似电脑的 UDP 端口，也可以看做是一个命令号。

第二字节及其后：命令参数

首字节：

位	描述
[7]	等于 0: Level 0
[6]	等于 1: 回复
[5]	1: [4:0] 存放用户数据；0: 不使用
[4:0]	不使用或用户数据，数据必须 ≤ 31

例如: 回复 [0x40, 0x0c] 和回复 [0x6c] 是相同的意思。

0x40: 'b0100_0000
0x0c: 'b0000_1100
----
0x6c: 'b0110_1100

首字节的用户数据（如果有）、第二个字节及其后：回复的状态和/或数据。

Level 1 格式

首字节：

位	描述
[7]	等于 1
[6]	等于 0
[5]	MULTI_NET （跨网）
[4]	MULTICAST （组播）
[3]	SEQUENCE （序列号）
[2:0]	PORT_SIZE （端口大小设置）

MULTI_NET & MULTICAST

MULTI_NET	MULTICAST	描述
0	0	Local net: 本地网络，不追加数据
0	1	Local net multicast: 追加 2 字节 `[multicast-id]` 组播号
1	0	Cross net: 追加 4 字节: `[src_net, src_mac, dst_net, dst_mac]`
1	1	Cross net multicast: 追加 4 字节: `[src_net, src_mac, multicast-id]`

这个与本文主题无关，就不展开了。

SEQUENCE

0: 无序列号;
1: 追加 1 字节序列号 SEQ_NUM, 这个是重点，稍后会主要说明。

PORT_SIZE:

Bit2	Bit1	Bit0	SRC_PORT	DST_PORT
0	0	0	Default port	1 byte
0	0	1	Default port	2 bytes
0	1	0	1 byte	Default port
0	1	1	2 bytes	Default port
1	0	0	1 byte	1 byte
1	0	1	1 byte	2 bytes
1	1	0	2 bytes	1 byte
1	1	1	2 bytes	2 bytes

注: - 默认端口通常定为 0xcdcd, 所以不用额外追加字节. - 追加的字节按顺序，先是 src_port 再是 dst_port.

Level 2 格式

首字节：

位	描述
[7]	等于 1
[6]	等于 1
[5:4]	FRAGMENT（大数据分包）
[3]	SEQUENCE（序列号）
[2:0]	User-defined flag

FRAGMENT:

Bit5	Bit4	DST_PORT
0	0	Not fragment
0	1	First fragment
1	0	More fragment
1	1	Last fragment

注: - 使用分包功能的时候必须同时选择使用 SEQUENCE. - 开始分包的时候 SEQ_NUM 不需要归零.

一般情况下，要求不高，使用最简单的 Level 0 格式就好了，如果命令比较多，那么就可以用 Level 1 格式，用不到的功能不用理会即可。

Level 1 没有大数据分包功能，因为通常 MCU 也用不到那么大的数据包，即使是烧录代码这种要传大数据的功能，也是可以在命令内部定义地址和数据长度的，譬如我的 STM32 总线代码升级的命令定义：

// flash memory manipulation, port 11:
//   erase: 0xff, addr_32, len_32  | return [] on success
//   read:  0x00, addr_32, len_8   | return [data]
//   write: 0x01, addr_32 + [data] | return [] on success

而 Level 2 譬如可以用来传 IPv4/v6 数据包，那么就不得不加入拆包的功能了。因为 Level 1 和 Level 2 的序列号部分是一样的，所以接下来就混在一起讲了。

CDBUS 协议将前 0~9 保留专用，10 及其后的用户可以随便用，保留的部分目前也就用了 4 个，而且也不是强制的，用户愿意实现就实现，不用或者自己想怎么用就怎么用也没问题。上篇文章说了端口或命令 0x01 是用来查询设备信息的，命令 0x03 是用来设置地址的，还详细说了如何使用这两个端口来实现地址自动分配，剩下两个端口其中 0x02 是用来设置波特率的，对于本文最关键的端口 0x00 是用于流控、完整性确保、大数据拆包的了，其定义如下：

Port 0

配合 Level 1 和 2 头中的 SEQUENCE 字段使用。
命令启用 SEQUENCE 后追加的对应字节 SEQ_NUM[6:0] 的低 7 位会每次自动加 1.
而 SEQ_NUM 的第 7 位用来指示接收方是否要报告状态。
Port 0 本身的命令不可以启用 SEQUENCE.

Port 0 命令定义:

主动读目标的 SEQ_NUM:
  Write []
  Return: [SEQ_NUM] (如果没有记录 bit 7 置 1)

主动设置目标的 SEQ_NUM:
  Write [0x00, SEQ_NUM]
  Return: []

目标回复 SEQ_NUM:
  Write [SEQ_NUM]
  Return: None

实际示例:
(-> 和 <- 是端口层的数据流, >> 和 << 是 CDNET 数据包层面的数据流，不含最低层的 CDBUS 的部分)

  设备 A                         设备 B       描述

  [0x00, 0x00]          ->      Port0        首次通讯设置对方的 SEQ_NUM
  Default port          <-      []           设置成功返回
  [0x88, 0x00, ...]     >>                   开始发送数据
  [0x88, 0x01, ...]     >>
  [0x88, 0x82, ...]     >>                   这次的数据标注了需要回复 SEQ_NUM @2
  [0x88, 0x03, ...]     >>
  [0x88, 0x04, ...]     >>
  Port0                 <-      [0x03]       回复 SEQ_NUM @2 （每成功接收一个包计数加 1, 回复当前计数 0x03）
  [0x88, 0x85, ...]     >>                   标注了需要回复 SEQ_NUM @5
  Port0                 <-      [0x06]       回复 SEQ_NUM @5

效率提升的重点就在这里，我们可以自行选择多久回复一次，而不是每次都要回复状态，如果最后一次数据包没有标注需要回复，那么会引发超时，然后主动读一次目标的 SEQ_NUM 以做同步。之所以引发超时，是因为所有发出的数据包都不能立刻释放，要等确认对方收到才会释放，以防需要出错重传。因为有 SEQ_NUM 号，所以即使同一个命令重复发送，对方也会只执行一次。

流控的功能也包含在内，譬如发送方时刻只允许最多 6 个数据包没有释放，那么等收到回复，释放掉 3 个，再发送 3 个数据包，这样可以最大化的利用总线带宽。而且万一有多方发送数据至同一个节点，发送方也可以因频繁超时，来动态降低最大允许 pending 的数据包数量。

再来说大包拆分，也是很简单，拆分包有 3 个标记，分别是起始、继续、结束，譬如一个大包拆开了 4 个小包，且如果当前 SEQ_NUM 为 23，那么这四个小包的 SEQ_NUM 和标记对应关系就是：

23: 拆分启始标志
24: 继续
25: 继续
26: 结束

这样接收方也就很容易的把四个小包还原成原始的大包，万一出问题，也只是重新传输错掉或丢掉的包（及其后的包）。

为了简便，对于 CDNET 协议，并不是丢一个包就只重传一个包，其后传的包也需要重传，因为接收方只是简单判断序号，不对便拒绝接收，这么做是为了保持简单，毕竟错包、丢包的概率很低。

最后，想说的是，这篇文章的内容都是经过实践检验的，我有用来传输摄像头视频，DEMO 可以在这篇介绍文章中看到：https://github.com/dukelec/cdbus_doc/blob/master/intro_zh.md

协议的实现部分代码也是开源的，就是上面的 CDNET 连接，另外有一些使用 CDNET 的示例代码，譬如这个 STM32F103 的步进电机控制器：https://github.com/dukelec/stepper_motor_controller

当然，这些代码、库我也会进一步优化改善。

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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