微控制器的环形缓冲区

Question

这是我现在面临的一个场景，我有一个中断（线程）UART，它正在从我从串行端口获得的值中读取环形缓冲区，并将值从串行端口写入环形缓冲区。 我有一个主循环，可以访问该环形缓冲区以从中读取值，同时编写 AT 命令，并将这些 AT 命令写入环形缓冲区。 我需要环形缓冲区是无锁的还是用信号量或互斥体包围共享数据？我没有让互斥锁或信号量工作的操作系统。 我已经阅读了很多关于该主题的内容，看来我需要一个无锁环形缓冲区。在 ARM 上，我会使用比较和交换指令。 ringbuffer 是作为数组实现的，所以我不会遇到 ABA 问题

缓冲区声明：

#define MAX_CHANNEL_COUNT 5

#define UART_BUFSIZE 512
char buffers[2][MAX_CHANNEL_COUNT][UART_BUFSIZE];

char* writeBuffers[MAX_CHANNEL_COUNT];
char* readBuffers[MAX_CHANNEL_COUNT];
volatile int readPos[MAX_CHANNEL_COUNT] = { 0 };
volatile int writePos[MAX_CHANNEL_COUNT] = { 0 };
here is the interrupt code

void USART_IRQHandler(char Channel, USART_TypeDef *USARTx)
{
    volatile unsigned int IIR;
    int c = 0;
    IIR = USARTx->SR;
    if (IIR & USART_FLAG_RXNE)
    {                  // read interrupt
      USARTx->SR &= ~USART_FLAG_RXNE;             // clear interrupt

        c = USART_ReceiveData(USARTx);
        writeBuffers[Channel][writePos[Channel]] = c;
    writePos[Channel]++;
        if(writePos[Channel]>=UART_BUFSIZE) writePos[Channel]=0;

    }

    if (IIR & USART_FLAG_TXE)
    {
      USARTx->SR &= ~USART_FLAG_TXE;              // clear interrupt
    }
}
code for initializing and swapping the buffers:

void initializeBuffers(void) {
    int i = 0;
    for (i = 0; i < MAX_CHANNEL_COUNT; ++i)
    {
        writeBuffers[i] = buffers[0][i];
        readBuffers[i] = buffers[1][i];
    }
}

void swapBuffers(int channel) {
  int i;
  char * buf = writeBuffers[channel];
    __disable_irq();
  writeBuffers[channel] = readBuffers[channel];
  readBuffers[channel] = buf;
  if ( readPos[channel] == UART_BUFSIZE)
           readPos[channel] = 0;
    
  for (i =0; i < UART_BUFSIZE; i++)
  {
    buf[i] = 0;
  }
    __enable_irq();
}

这里我使用此函数从特定通道和特定 UART 获取字符

int GetCharUART (char Channel)
{
 int c =  readBuffers[Channel][readPos[Channel]++];

    
  if (c == 0 || readPos[Channel] == UART_BUFSIZE)
  {
    swapBuffers(Channel); // Make this clear your read buffer.
    return EMPTY;
  }
  return c; // Note, your code that calls this should handle the case where c == 0
}

GetCharUart 的使用

PutStringUART(UART_GSM, "AT");
PutStringUART(UART_GSM, pCommand);
PutCharUART(UART_GSM, '\r');
count = 0;
timer_100ms = 0;
while (timer_100ms <= timeout)
{
    zeichen = GetCharUART(UART_GSM);
}

Answer 1

您需要在中断处理程序和“主线程”之间进行同步，所以是的，需要一种互斥锁。没有操作系统的常用方法是在“进入临界区”之前禁用中断，然后重新启用。这确保了关键部分是“原子的”（即同时没有中断触发）。

在 ARM 上，我会使用比较和交换指令

你用的是什么编译器？

GCC 和 Clang 具有原子比较和交换的内在函数。

参见例如

https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/_005f_005fatomic-Builtins.html

https://llvm.org/docs/Atomics.html

C11 通过<stdatomic.h> 支持它我相信：https://en.cppreference.com/w/c/atomic/atomic_compare_exchange

Answer 2

从概念上讲，我建议将环形缓冲区分为读取缓冲区和写入缓冲区（可以是环形缓冲区）。

当您使用中断时，您就有并发性，这意味着您需要保护共享数据（即您的缓冲区）。这通常由互斥锁或信号量完成。但是，它们仅适用于 OS 或 RTOS。

所以最常见的做法是暂时序列化你的并发元素。这可以通过禁用 UART 中断来完成。更准确地说，您需要停用所有中断，这会触发使用共享资源的代码。