串口通信工程笔记之协议设计

　　下面设计的串口通信协议用于完成双机互联程序的文件传输功能，简称SPCP。设计思想基于枕帧传输方式，即在向串口发送数据时是一帧一帧地发送。为了保证可靠传输，通过握手建立连接，在每一帧的传输中，采用发送/应答/重连/失败方式。

一、帧格式

　　双机互联采用3种帧：控制帧、数据帧与短语帧。控制帧与数据帧用于文件传输，短语帧用于短消息发送。

1.  数据帧

　　包括帧头、负载数据和校验和。帧头6个字节，如下图所示，其中count表示负载数据的字节数，Check1表示第2与第3字节校验和。

0	1	2	3	4	5
0x00	0x00	count		Check1

图1  数据帧头

　　负载数据长count字节，最多不超过0x1000字节。校验和占2个字节，是对负载数据计算校验和的结构。

2.  控制帧

　　控制帧和控制信号合作完成通信同步与控制任务，它只有帧头，长为6字节。

0	1	2	3	4	5
0x00	0x01	nPack		Check2

图2  传输起始控制帧

　　nPack表示本次传输共发送帧数，便于让接收方控制进度，Check2为第2，3字节的校验和。当nPack=Check2=0时，表示本次传输结束，当接收方收到该帧时，不管是否已收到应收的帧数，都将结束此次传输。在没有发生传输错误的情况下，一次传输只会出现两次控制帧，第一次在传输开始时，第二次在传输结束时。

3.  短语帧

　　短语帧中负载均为文本数据。发送与接收该帧不需要建立连接也没有错误控制，只是在帧头和帧尾插入了同步信号。

0x03

文本数据

0x03

图3  短语帧结构

二、控制信号

　　为提高通信效率，SPCP使用控制信号进行通信同步、纠错灯各种控制人物。SPCP定义了6中控制信号：

       const BYTE    SYN[1] = {0x1};                 //请求

       const BYTE    ACK[1] = {0x2};                 //响应

　　 const BYTE    RESEND[1] = {0x4};           //重发

　　 const BYTE    BUSY[1] = {0x7};                //忙

　　 const BYTE    BYE[3] = {6, 0, 6};              //断开连接

　　 const BYTE    STR[1] = {0x3};                  //短信息同步信号

三、数据分帧及数据重组

　　应用程序发送过来的数据作为一个流按SPCP进行分帧，切割后为每帧加上帧头和校验和，放入SPCP内部缓冲区内准备发送；在接收端，分帧的数据去掉帧头重新归到接收缓冲区流，由应用程序接收。

图4  数据分帧过程

图5  数据重组过程

四、传输流程

　　在发送数据前，SPCP发送方将应用程序希望发送的数据进行分帧，然后按照下面的步骤通信。

1.  握手

1. 由发送端发送SYN信号，等待反馈；
2. 接收端收到SYN后返回ACK信号；
3. 发送端接收到ACK信号后，由发送端发送控制首帧；
4. 接收到收到控制首帧后，CheckSum错误则发送RESEND信号，然后重复步骤c~d；如果正确，发ACK信号；
5. 发送端收到ACK信号后，转到2数据传输的步骤a。

2.  数据传输

1. 由发送端发送第i帧帧头，等待反馈；若发送方发现该帧是控制结束帧，则转到3断开连接的步骤a；
2. 接收端收到帧头后，帧长度校验和错误则发RESEND信号，然后重复步骤a~b。如果正确，发ACK信号；
3. 若发送端收到ACK信号，则发送帧中数据和校验和；
4. 接收端收到数据后，数据校验和错误则发RESEND信号，然后重复步骤c~d。如果正确，发ACK信号；
5. 若发送端收到ACK信号，则该帧数据发送成功。发送端发送SYN信号，开始下一帧的握手过程；
6. 若接收端收到SYN信号，则发送ACK信号进行确认；
7. 若发送端接收到ACK信号，则重复a~e步骤进行下一帧的传输。

3.  断开连接

1. 发送方发送控制结束帧，准备结束此次通信；
2. 若接收端接收控制结束帧，则发送ACK信号，准备结束此次通信；
3. 若发送端收到ACK信号，则发送BYE控制信号；
4. 若接收方收到BYE信号，则拆除此次连接，同时发送ACK信号；
5. 发送方收到ACK信号后，拆除连接。

　　注意：上述3个阶段的所有步骤中都存在超时处理，即若通信的某一方在限定时间内没有收到答复，则将断开连接，结束此次通信。此外，如果因为某错误而引起的重发次数超过3次，也就中断此次通信。