高效串口转以太网适配器设计

文章摘要：当诸如以太网这样的高速接口试图连接到UART或SPI等低速接口时，必须采用流量控制协议作为速度适配器。以太网没有流量控制功能，这点与TCP/IP不同。UART具有软件和硬件流量控制功能。当应用需要进行持续数据传送时，若串口桥应用没能以同一速率对数据进行处理，则数据会迅速填满UART的软件缓冲器。确定工作波特率和UART缓冲区大小时需格外小心，因为当使用实时操作系统(RTOS)时，这两个因素会影响到运行任务的实现及其优先级。SPI通信没有流量控制。不应改变其软件驱动器以在通信中增加额外的头文件。应在应用层通过采用响应或其它定制流量控制协议来实现流量控制。借助流量控制协议可以轻松中止通讯。但若频繁

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　　当诸如以太网这样的高速接口试图连接到UART或SPI等低速接口时，必须采用流量控制协议作为速度适配器。以太网没有流量控制功能，这点与TCP/IP不同。UART具有软件和硬件流量控制功能。

　　当应用需要进行持续数据传送时，若串口桥应用没能以同一速率对数据进行处理，则数据会迅速填满UART的软件缓冲器。确定工作波特率和UART缓冲区大小时需格外小心，因为当使用实时操作系统(RTOS)时，这两个因素会影响到运行任务的实现及其优先级。

　　SPI通信没有流量控制。不应改变其软件驱动器以在通信中增加额外的头文件。应在应用层通过采用响应或其它定制流量控制协议来实现流量控制。

　　借助流量控制协议可以轻松中止通讯。但若频繁发生这种中止情况，通信性能将会降低，特别是对诸如UART和SPI等串口协议来说。可以通过UART或SPI硬件缓冲区(通常1～4字节长)解决该性能问题。为尽可能减少延误，采用中断来通知应用桥何时可以发送字符。

　　但是，向UART硬件缓冲区要求可用空间的中断请求和缓冲区相应该请求之间的延迟必须予以考虑。通过在桥应用和UART控制器间加入软件缓冲区可缩短该延迟。采用这种方式，应用桥可填充软件缓冲区，而UART ISR(中断服务程序)可逐字符地取走数据，直至软件缓冲区被清空。该技术减少了流量控制中止通信的次数，提升了整体性能。对UART接收来说，软件缓冲区对存储所有可以接收到的字符来说很重要。

　　以太网数据包由数据和协议报头组成。对串口转以太网桥应用而言，有效的以太网数据包是通过在数据部分使用可能多的字节数组成。这将抵消所需报头部分带来的开销。

　　应用层(串口桥)通过使用FIFO等软件缓冲区进行数据排列和解排列解决了该问题。可采用独立的串口接收(Rx)和发送(TX)缓冲区来存储应用无法一次处理的所有信息。

　　本文小结

　　许多设备内基于串行的接口(RS-232、RS-485和SPI)无法提供类似以太网协议所实现的更强的连接能力。串口转以太网桥是解决该问题的一个具成本效益的方案。在设计这种转换桥时，必须把结构和分层软件与具成本效益的硬件结合起来以满足应用对功能的要求。我们采用Free-RTOS、LightweightIP(以太网-TCP/IP栈)和飞思卡尔的MCF51CN128嵌入式控制器为简单串口转以太网桥构建了一个参考设计。

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