بافر در USART میکروکنترلرها بافر نرم افزاری بافر سخت افزاری

بافر در USART به معنای حافظۀ موقتی است که برای ذخیرۀ موقت داده های ارسال و دریافت استفاده می شود. کلاً بافر در میکروکنترلرها یک حافظۀ موقت است که می تواند داده هایی را در خود ذخیره کند. در اغلب موارد در پروتکل های ارتباطی نظیر پروتکل USART، SPI، TWI و … برای ذخیره سازی موقت اطلاعات نیاز داریم از بافر استفاده کنیم. اغلب اوقات میکروکنترلر در حال اجرای دستورهایی است و در حین دریافت داده در بخش گیرنده داده هایی که دریافت می شوند سریعاً خوانده نمی شوند. در صورت عدم وجود بافر، داده های جدید به جای داده های قدیمی قرار می گیرند و داده هایی که پیشتر دریافت شده اند پاک می شوند.

بنابر این نیاز است برای ذخیرۀ موقت این داده ها حافظه های موقتی وجود داشته باشد. برای این کار در میکروکنترلرها از بافر استفاده شده است تا میکروکنترلر در زمان های بعد داده ها را از این حافظه های موقت بخواند. این حافظه های موقت، بافرهای سخت افزاری هستند. داده های جدید هنگام دریافت شدن در این حافظه های موقت قرار می گیرند. منظور از بافرهای سخت افزاری این است که این بافرها به صورت سخت افزاری در کنار بلوک فرستنده یا گیرنده تعبیه شده اند و نقش دیگری به جز بافر بودن ندارند.

در میکروکنترلرها می توانیم با برنامه نویسی از بخشی از حافظۀ SRAM به عنوان بافر استفاده کنیم. در این صورت یک بافر نرم افزاری ساخته ایم. بافر نرم افزاری در واقع توسط برنامه نویس در برنامۀ میکروکنترلر به صورت متغیر نوشته می شود. داده ها پس از دریافت شدن در این متغیرها ذخیره می شوند. در ادامه به بررسی بافرهای سخت افزاری سه میکروکنترلر ATmega128، STM32F1 و LPC1768 می پردازیم و سپس دربارۀ بافر نرم افزاری توضیح می دهیم.

فیلم آموزش میکروکنترلرهای AVR مقدماتی

فیلم آموزش ARM STM32 مقدماتی

فیلم آموزش آردوینو مقدماتی

تعریف بافر

بافر یک حافظۀ موقت است که می تواند مقدار منطقی صفر یا 1 را در خود ذخیره کند. در میکروکنترلرها این حافظۀ موقت در جاهای مختلف وجود دارد. بسته به 8 بیتی یا 32 بیتی بودن میکروکنترلر بافرها نیز معمولاً 8 بیتی یا 32 بیتی هستند.

تصویر 1 – گیت بافر

بافر در USART

بافر در USART ممکن است هم در فرستنده وجود داشته باشد و هم در گیرنده. در  USART برای ارسال داده یک دادۀ (معمولاً) 8 بیتی در رجیستر ارسال USART می نویسیم. در AVR این رجیستر UDR نام دارد. بعد از نوشتن داده در رجیستر ارسال، این داده در  بافرهای ارسال قرار می گیرد. سپس از بافرهای ارسال در شیفت رجیستر ارسال قرار می گیرد. در نهایت دادۀ مورد نظر از شیفت رجیستر ارسال به پایۀ TX منتقل می شود. در دریافت نیز  ابتدا داده از پایۀ RX به شیفت رجیستر دریافت منتقل می شود. سپس از آنجا به بافرهای دریافت منتقل می شود. پس از آن در رجیستر دادۀ USART قرار می گیرد.

در واحدهای USART میکروکنترلرهای ATmega128 و STM32F1 بافر ارسال وجود ندارد. اما در واحدهای USART میکروکنترلر LPC1768 تعداد 16 بایت بافر ارسال وجود دارد. که به صورت شیفت رجیستر در کنار هم قرار گرفته اند.

تصویر 2 – بافرهای ارسال در واحد UART شماره 1 میکروکنترلر LPC1768

در  بخش گیرنده در میکروکنترلر LPC1768 تعداد 16 بایت بافر و در میکروکنترلر ATmega128 تعداد یک بایت بافر وجود دارد. اگر شیفت رجیستر دریافت را هم یک بافر فرض کنیم، در ATmega128 دو بایت بافر داریم.

در برنامه ای که برای ارسال و دریافت USART نوشته می شود، تنها به رجیستر دادۀ USART دسترسی وجود دارد. و امکان خواندن داده ها از بافرها و یا نوشتن داده ها در آنها وجود ندارد.

کاربرد بافر در دریافت داده

در زمان هایی که داده دریافت می شود و وقت خواندن آن هنوز فرا نرسیده است، ابتدا داده در رجیستر USART قرار می گیرد. دادۀ بعدی نیز دریافت می شود. اگر دادۀ قبلی که در رجیستر دادۀ USART قرار گرفته است هنوز  خوانده نشده باشد، دادۀ جدید در بافر قرار می گیرد. داده های بعدی که دریافت می شوند پشت دادۀ قبلی در بایت دیگری از بافر قرار می گیرند. و به همین ترتیب داده ها در بافر ذخیره می شوند تا ظرفیت بافر پر شود. اگر ظرفیت بافر پر شده باشد، دادۀ بعدی در شیفت رجیستر دریافت باقی می ماند. داده های بعدی که روی خط RX قرار می گیرند جایگزین دادۀ موجود در شیفت رجیستر می شوند. بنابراین داده های موجود در شیفت رجیستر از بین می روند و امکان دریافت آنها وجود ندارد زیرا هم رجیستر دادۀ USART و هم بافرهای دریافت پر شده اند.

اگر رجیستر دادۀ USART خوانده شود داده ای که بعد از دادۀ آن دریافت شده بود و در اولین خانۀ بافر دریافت ذخیره شده بود در این رجیستر قرار می گیرد. و داده های بعدی به سمت جلو پیش می روند تا بافر دریافت از آخر خالی شود. در این حین دادۀ قرار گرفته شده در شیفت رجیستر دریافت به آخرین بایت بافر که اکنون خالی شده است منتقل می شود. و این شیفت رجیستر اکنون خالی است و اگر دادۀ جدیدی در آن قرار بگیرد دادۀ قبلی از بین نرفته است (و به آخرین بایت بافر منتقل شده است).

به این صورت بافر و همچنین رجیستر دادۀ USART و شیفت رجیستر دریافت، نقش یک حافظۀ موقت را ایفا می کنند. هر چه ظرفیت این حافظۀ موقت بیشتر باشد تعداد دادۀ بیشتری در آن ذخیره می شود و میکروکنترلر برای خواندن داده ها فرصت بیشتری دارد. اما اگر ظرفیت این حافظۀ موقت کم باشد، برای این که داده ای از دست نرود، میکروکنترلر  باید هر لحظه رجیستر داده را بخواند تا داده های بعدی دریافت شوند. و در شیفت رجیستر دریافت از بین نروند.

یکی از راه های به موقع خواندن دادۀ موجود در رجیستر دادۀ USART در AVR، با کار با وقفۀ USART میسر می شود. هر بار که دادۀ جدیدی در این رجیستر قرار گیرد، وقفه اتفاق می افتد و می توان مقدار رجیستر دادۀ USART را در روتین وقفه خواند.

کاربرد بافر در ارسال داده

در ارسال نیز به این صورت است که وقتی میخواهیم با سرعت بالا کار ارسال انجام شود ولی هنوز داده های قبلی ارسال نشده اند، داده های ارسالی جدید به ترتیب در بافر قرار می گیرند. هر وقت شیفت رجیستر ارسال داده ای را روی خط TX قرار دهد، دادۀ جدید از بافر در آن قرار می گیرد و ارسال می شود.

بافر نرم افزاری

بافر نرم افزاری بخشی از حافظۀ SRAM میکروکنترلر است که برنامه نویس آن را توسط برنامه ای که نوشته است، به محل ذخیرۀ داده های ارسالی و دریافتی اختصاص می دهد. برنامه ای که نوشته شده به این صورت عمل می کند که هر داده ای که می خواهد بعداً ارسال شود و یا اکنون دریافت شده و قرار است بعداً استفاده شود، در جایی از حافظۀ SRAM به عنوان متغیر، متغیرهای آرایه ای، استراکچر و … ذخیره می شود.

بافر نرم افزاری در دریافت USART معمولاً به این صورت است که یک فریم از داده که دریافت شد، برنامه وارد روتین وقفۀ دریافت می شود و این بایت در یک متغیر جایگذاری می شود. دادۀ بعدی در متغیر دیگر و به همین ترتیب هر داده در یک متغیر ذخیره می شود. البته در اینجا از متغیر آرایه ای استفاده می کنند. یعنی دادۀ اول به عنوان عنصر صفرم آرایه، دادۀ دوم به عنوان عنصر یکم و … در آرایه ذخیره می شوند.

در مواردی هم از استراکچر (structure) آرایه ای و یا آرایه دوبعدی استفاده می شود. معمولاً زمانی که بخواهد چند متغیر آرایه ای را در کنار هم قرار دهند از استراکچر  و یا آرایۀ دو بعدی استفاده می کنند. برای مثال هر داده می تواند یک کاراکتر باشد این کاراکتر در یکی از اندیس های یک آرایه ذخیره می شود. چند کاراکتر در کنار هم یک کلمه را می سازند. پس یک آرایه یک کلمه است. ارایه ها در کنار هم می توانند تشکیل چند کلمه را بدهند. که قرار گرفتن آنها رد کنار هم می تواند به صورت استراکچر آرایه ای و یا آرایۀ دو بعدی باشد.

هنگام راه اندازی وقفۀ USART در کدویژن (در کدویزارد)، کدویژن به صورت خودکار یک بافر نرم افزاری به صورت یک آرایه می سازد. در کد ساخته شده می توان اندازۀ این بافر نرم افزاری را تغییر داد. با استفاده از دستورهای USART در کدویژن (و یا هر نرم افزار دیگری) و وقفۀ ارسال و دریافت، می توان برنامه ای نوشت که هیچ داده ای موقع ارسال و یا دریافت از بین نرود.

Data over run چیست؟

بحث data over run در USART در گیرنده معنی دارد. وقتی داده هایی را که از ورودی گیرنده دریافت شده اند نخوانیم و شیفت رجیستر دریافت پر شود، اگر دادۀ بعدی دریافت شود و دادۀ موجود در شیفت رجیستر را پاک کند، data over run اتفاق می افتد. Data over run در واقع یک خطاست و وقتی که اتفاق می افتد، در رجیسترهای Status موجود در بلوک USART یک بیت 1 می شود و با خواندن این بیت می توان متوجه شد که data over run اتفاق افتاده است.

تأثیر اندازۀ بافر در از دست رفتن داده ها

نکته ای که باید به آن دقت شود این است که نباید تصور کنیم میکروکنترلری که در USART (یا پروتکل ارتباطی دیگر) آن تعداد بافر بیشتری دارد حتماً داده های ارسال و دریافت آن از بین نمی روند. از بین رفتن داده های ارسال و دریافت به سرعت ارسال و دریافت و به سرعت خواندن و نوشتن داده ها در میکروکنترلر توسط برنامه نیز بستگی دارد. ممکن است در میکروکنترلری که بافر دریافت ندارد و بافر نرم افزاری برای آن نوشته نشده داده ها آن قدر کند دریافت شوند که میکروکنترلر فرصت زیادی داشته باشد آن ها را بخواند و داده ای از بین نرود. از طرفی ممکن است برای یک میکروکنترلر که هم بافر سخت افزاری و هم نرم افزاری دارد، آن قدر سرعت دریافت داده ها بالا باشد که میکروکنترلر فرصت نکند همۀ آنها را بخواند و بخشی از داده ها از بین برود.

از تعریف بافر در USART و کاربردهای آن نتیجیه می گیریم:

1. بافر در USART هم به صورت سخت افزاری و هم به صورت نرم افزاری وجود دارد.
2. بافرهای سخت افزاری از لحاظ ظرفیت ثابت هستند و امکان تغییر ظرفیت آنها وجود ندارد.
3. بافرهای نرم افزاری از لحاظ ظرفیت قابل تغییر هستند.
4. بافرها یکی از راه ها برای از دست نرفتن داده های دریافت و ارسال هستند.
5. بافرهای نرم افزاری بخش هایی از حافظۀ دادۀ میکروکنترلر (SRAM) هستند که توسط برنامۀ نوشته شده ایجاد می شوند.
6. از دست رفتن داده ها هم به ظرفیت بافرها و هم به سرعت خواندن و نوشتن داده ها مربوط است.
7. Data over run در دریافت USART به معنی از دست رفتن داده های دریافتی است.
8. با اتفاق data over run در USART، یک بیت در رجیسترهای وضعیت واحد USART یک می شود.
9. در ارتباط سریال میکروکنترلر با کامپیوتر و یا ارسال اطلاعات بین دو میکروکنترلر و یا تبادل داده بین میکروکنترلر با هر ماژول دیگری، استفاده از بافر نرم افزاری به ویژه در دریافت داده ها اهمیت ویژه ای دارد.
10. با فعال کردن وقفۀ سریال در کدویژن (کدویزارد)، نرم افزار کدی را در اختیار ما قرار می دهد که در آن از بافر نرم افزاری به صورت آرایه ای استفاده شده است.
11. بافر در AVR و یا میکروکنترلرهای دیگر تنها به USART محدود نمی شود. می توان برای SPI و TWI نیز بافر نرم افزاری نوشت.