第29章_瑞萨MCU零基础入门系列教程之改进型环形缓冲区

news2025/1/19 17:16:44

本教程基于韦东山百问网出的 DShanMCU-RA6M5开发板 进行编写，需要的同学可以在这里获取： https://item.taobao.com/item.htm?id=728461040949

配套资料获取：https://renesas-docs.100ask.net

瑞萨MCU零基础入门系列教程汇总： https://blog.csdn.net/qq_35181236/article/details/132779862

第29章 改进型环形缓冲区

29.1 基本概念

环形缓冲区是一个先进先出（FIFO）的闭环的存储空间。通俗的理解为，在内存中规划了一块“圆形”的地，将该“圆形”进行N（Ring Buffer的大小）等分，如下图所示：

但是实际上，处理器的内存不可能是这样一个闭环的存储方式，而是一片连续的，有起始有结束的空间：

开发者在程序中只能申请一段有头有尾的内存，通过软件设计将这片内存实现为一个环形的缓冲区。

一般而言，对于环形缓冲区的操作需要了解几个基本单位：

  • 内存起始地址pHead
  • 内存结束地址pEnd
  • 内存总大小Length
  • 可写内存起始地址pwStart
  • 可写内存大小wLength
  • 可读内存起始地址prStart
  • 可读内存大小rLength

可以发现这几个单位中是存在算术关系的：

①

②

③

将②式换算下，以可写内存大小为结果：

将可读的数据称作有效数据valid data，可读的起始内存地址叫有效数据起始地址pValid，可读的数据个数叫有效数据个数pValidLength。而可写的内存，位于有效数据之后，称之为pValidEnd：

基于以上信息，就可以将环形缓冲区的信息抽象为结构体RingBufferInfo：

typedef struct RingBuffInfo{
    unsigned char *pHead;
    unsigned char *pEnd;    
    unsigned char *pValid;    
    unsigned char *pValidEnd; 
    unsigned int  nBufferLength;
    unsigned int  nValidLength;   
}RingBuffInfo;

由于可写的数据个数是可以通过缓冲区大小nBufferLength和有效数据个数nValidLength计算得到，因而未将其封装到RingBufferInfo结构体中。

对于环形缓冲区，主要的操作有：申请和释放空间，读写数据、清除数据。将这些操作方法和缓冲区信息一起封装为结构体RingBuffer：

typedef struct RingBuffer{
    RingBuffInfo info;
    int         (*Write)(struct RingBuffer *ptbuf, const unsigned char *src, unsigned int length);
    int         (*Read)(struct RingBuffer *ptbuf, unsigned char *dst, unsigned int length);
    int         (*Clear)(struct RingBuffer *ptbuf);
    int         (*Free)(struct RingBuffer *ptbuf);
    struct RingBuffer *next;
}RingBuffer;

第07行的链表，用来管理多个环形缓冲区：把它们放在一个链表里。

29.2 申请缓冲区

先申请一个RingBuffer结构体，再申请存储数据的空间，最后初始化。代码如下：

struct RingBuffer *RingBufferNew(unsigned int length)
{
    struct RingBuffer *ptbuf;
    if(0 == length)     return NULL;
    
    ptbuf = (struct RingBuffer*)malloc(sizeof(struct RingBuffer));
    if(NULL == ptbuf)   return NULL;
    if(NULL != ptbuf->info.pHead)
    {
        free(ptbuf->info.pHead);
    }
    ptbuf->info.pHead = (uint8_t*)malloc(length);
    if(NULL == ptbuf->info.pHead) 
    {
        printf("Error. Malloc %d bytes failed.\r\n", length);
        return -EIO;
    }
    ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pValidEnd = ptbuf->info.pHead;
    ptbuf->info.pEnd = ptbuf->info.pHead + length;
    ptbuf->info.nValidLength = 0;
    ptbuf->info.nBufferLength = length;
    
    ptbuf->Write = RingBufferWrite;
    ptbuf->Read = RingBufferRead;
    ptbuf->Clear = RingBufferClear;
    ptbuf->Free = RingBufferFree;
    
    return ptbuf;
}
  • 第06行：使用C库函数malloc申请一个RingBuffer结构体；
  • 第12行：分配存储数据的内存；
  • 第18~21行：初始化缓冲区的信息；
  • 第23~26行：填充操作函数；

29.3 释放缓冲区

先是否数据存储空间，再释放RingBuffer结构体本身。代码如下：

static int RingBufferFree(struct RingBuffer *ptbuf)
{
    if(ptbuf == NULL)           return -EINVAL;
    if(ptbuf->info.pHead==NULL) return -EINVAL;
    
    free((uint8_t*)ptbuf->info.pHead);
    
    ptbuf->info.pHead = NULL;
    ptbuf->info.pValid = NULL;
    ptbuf->info.pValidEnd = NULL;
    ptbuf->info.pEnd = NULL;
    ptbuf->info.nValidLength = 0;
    
    free((struct RingBuffer *)ptbuf);
    return ESUCCESS;
}

29.4 写数据到缓冲区

往缓冲区中写入数据需要考虑三个点：

  • 剩下的空间是否足够？
  • 超过空间的数据是丢还是留？
  • 写入数据时如果越界了，就需要缓冲器的头部继续写

如果从pValidEnd开始写入数据不会超过缓冲区的结束地址，那么直接从pValidEnd处开始写入数据即可：

如果从pValidEnd开始写入数据会超过缓冲区的结束地址，那么就需要考虑很多：

  • 计算从pValidEnd开始到pEnd可以写入多少个数据
  • 还剩多少个数据需要从pHead处开始写
  • 计算从pHead开始到pValid可以写入多少个数据，是否足够写入剩下的数据；不够的话如何处理？

在本书实验例程中，如果出现了剩余空间不足以容纳新数据时，就用新数据覆盖旧数据：

在这个过程中，有效数据的起始地址和结束地址，以及有效数据的个数，需要随着数据的写入跟着变化，这些数据的计算结合示意图可谓一目了然，此处就不再列出计算公式了。

如果缓冲区的剩余空间足够容纳新数据，那么写操作比较简单。代码如下：

static int RingBufferWrite(struct RingBuffer *ptbuf, const unsigned char *src, unsigned int length)
{
    ......（省略内容）
    // copy buffer to pValidEnd
    if( (ptbuf->info.pValidEnd + length) > ptbuf->info.pEnd )  // 超过了Buffer范围需要分为两段
    {
        len1 = (unsigned)(ptbuf->info.pEnd - ptbuf->info.pValidEnd);
        len2 = length - len1;
        
        memcpy((uint8_t*)ptbuf->info.pValidEnd, src, len1);
        memcpy((uint8_t*)ptbuf->info.pHead, src + len1, len2);
        
        ptbuf->info.pValidEnd = ptbuf->info.pHead + len2;   // 更新有效数据区尾地址
    }
    else
    {
        memcpy((uint8_t*)ptbuf->info.pValidEnd, src, length);
        ptbuf->info.pValidEnd = ptbuf->info.pValidEnd + length;
    }
    ......（省略内容）
}

如果缓冲区的剩余空间不足以容纳新数据，在使用新数据覆盖老数据时，涉及的计算比较繁琐，代码如下：

static int RingBufferWrite(struct RingBuffer *ptbuf, const unsigned char *src, unsigned int length)
{
    ......（省略内容）
    // 重新计算已使用区的起始位置
    if( (ptbuf->info.nValidLength + length) > ptbuf->info.nBufferLength )     // 要写入的数据超过了缓冲区总长度，分为两段写
    {
        move_len = ptbuf->info.nValidLength + length - ptbuf->info.nBufferLength;
        if( (ptbuf->info.pValid + move_len) > ptbuf->info.pEnd )
        {
            len1 = (unsigned)(ptbuf->info.pEnd - ptbuf->info.pValid);
            len2 = move_len - len1;
            
            ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pHead + len2;
        }
        else
        {
            ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pValid + move_len;
        }
        
        ptbuf->info.nValidLength = ptbuf->info.nBufferLength;
    }
    else
    {
        ptbuf->info.nValidLength = ptbuf->info.nValidLength + length;
    }
    
    return (int)length;
}

29.5 从缓冲区读数据

相比于写数据，读数据的操作就简单了许多。读数据时，从pValid处开始读，如果越过了pEnd，需要从pHead继续读取剩下的数据：

而如果从pValid处读取的数据个数不会越过pEnd，那么直接读出即可：

环形缓冲区的读函数代码如下：

static int RingBufferRead(struct RingBuffer *ptbuf, unsigned char *dst, unsigned int length)
{
    unsigned int len1 = 0, len2 = 0;
    if(ptbuf->info.pHead==NULL)     return -EINVAL;
    if(ptbuf->info.nValidLength==0) return -ENOMEM;
    
    if(length > ptbuf->info.nValidLength)
    {
        length = ptbuf->info.nValidLength;
    }
    
    if( (ptbuf->info.pValid + length) > ptbuf->info.pEnd )
    {
        len1 = (unsigned int)(ptbuf->info.pEnd - ptbuf->info.pValid);
        len2 = length - len1;
        
        memcpy(dst, (uint8_t*)ptbuf->info.pValid, len1);
        memcpy(dst + len1, (uint8_t*)ptbuf->info.pHead, len2);
        
        ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pHead + len2;
    }
    else
    {
        memcpy(dst, (uint8_t*)ptbuf->info.pValid, length);
        ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pValid + length;
    }
    
    ptbuf->info.nValidLength -= length;
    
    return (int)length;
}

29.6 清除缓冲区

清除缓冲区时，让RingBuffer的各个成员恢复初始值即可：

static int RingBufferClear(struct RingBuffer *ptbuf)
{
    if(ptbuf == NULL)           return -EINVAL;
    if(ptbuf->info.pHead==NULL) return -EINVAL;
    if(ptbuf->info.pHead != NULL)
    {
        memset(ptbuf->info.pHead, 0, ptbuf->info.nBufferLength);
    }
    
    ptbuf->info.pValid = ptbuf->info.pValidEnd = ptbuf->info.pHead;
    ptbuf->info.nValidLength = 0;
    return ESUCCESS;
}
本章完

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