引言
Cortex-M3是ARM公司推出的32位處理器，使用了最新一代的ARMv7架構，具有高性能、低功耗和低成本的優點。對那些對功耗與成本敏感、但又要求較高性能的嵌入式應用來說，Correx-M3無疑是最佳解決方案；而對成本要求苛刻、運算能力要求不高的設備來說，嵌入成熟穩定的8051處理器，已經成為了業內的流行做法。目前，越來越多的嵌入式系統同時使用了上述兩種MCU，因此如何使Cortex-M3與8051之間可以高效地進行信息交互，是實現設計目標的關鍵。
1 方案設計
要進行信息交互，離不開物理接口。在嵌入式應用中，目前常用的接口有UART、SPI和I2C等串行接口。UART接口只需兩根數據線就可以工作，時序控制簡單，大部分設備都整合了這種接口。而且，經過電平轉換后UART的TTL電平可以轉換成RS232電平，RS232接口是計算機標準配置的通信接口，可以通過超級終端查看串口的數據，便于使用PC機對線路進行檢測分析。因此，本設計采用UART接口作為Cortex-M3與C51之間的通信接口。
考慮到各種需求，本文設計了一種基于UART接口的，用于Cortex-M3和C51之間的通信協議，使Cortex-M3與C51之間可以高效地進行信息交互。當兩個MCU之間需要進行通信的時候，發送方把原始數據下放給通信協議，通信協議按照特定格式把數據打包，通過UART接口發送給對方。接收方收到數據時，MCU運行相應的通信協議，把數據解包，就可以得到發送方的原始數據，將其交付給上層程序。體系結構如圖1所示。
如果使用其他串行接口，原理大體相同，只需對硬件作相應改動，即對接口控制模塊稍作修改即可投入使用。
下面以實際工程中某種多媒體系統為例詳細說明。該系統采用了以Cortex-M3為內核的STM32處理器和嵌入了C51核的MST776視頻處理芯片，使用UART接口進行通信。
2 具體實現
2．1 硬件設置
具體的器件不同，UART的工作方式也有所區別，主要表現在波特率、停止位、數據字長度等參數上。當兩個器件用UART連接時，所有參數必須完全一致，否則通信很容易出錯。在此，要特別注意波特率的設置：當線路質量好的時候，波特率可以設置得高點，以獲得較高的傳輸速率；線路質量差的時候，就要減小波特率，以降低誤碼率。
本設計中，STM32與MST776都整合了UART接口，只需配置少量電阻；同時，線纜長度不超過20 cm，使用環境的電磁干擾小，波特率可以設置為38 400bps，甚至更高。另外，考慮到C51的處理速度較低，因此波特率不應設置得太高，避免造成C51側數據溢出，進而造成死機。
本設計只需使用兩根數據線來實現兩個MCU之間的互連，把STM32上選定的UART接口的TX與對端的UART接口的RX相連，把RX與對端的UART接口的TX相連。
2．2 軟件設計
2．2．1數據幀解析
Cortex-M3側和C51側采用同樣的數據幀格式，以簡化編程的難度，增強程序的可移植性。數據幀由起始標識符、數據長度、類型ID、通信內容、循環冗余校驗碼構成，如圖2所示。
(1)起始標識符
起始標識符的作用主要是用于定界，把不同的數據幀在一連串的數據中分離開來。起始標識符內的數據不能與數據幀中可能出現的任何數據相同，否則會引起歧義，導致定界失敗，造成數據錯誤。在本例中，為2個字節，選用0xFF+0xAA，因為該組合與其他數據具有排他性，不會引起歧義。
(2)數據長度
數據長度的計算方法為，從該位開始，到最后一個數據位結束，也就是CRC校驗位之前的一個字節。雖然使用Length位可以表示很長的數據幀，但在應用中應盡量采用短幀，以避免各種干擾因素造成少數數據位出錯，導致大量數據無效，影響通信效率。同時，應該設置一個最大發送長度，以便設置超時重傳計時器的值。本例采用1個字節，最大幀長為260個字節。
(3)類型ID
根據實際需要，類型ID可以采用1個或多個字節，用于表示該數據幀的作用類型。本例中，采用1個字節，可以表示256種作用類型，例如設備參數幀(如音量)、線路探測幀或應答幀。
(4)通信內容
通信內容與類型ID結合，表達特定意義。相同的Data，但ID不同的話，表達的信息不一樣。根據不同的ID，Data的長度可能會有所不同。
(5)循環冗余校驗碼
循環冗余校驗碼用于校驗接收到的數據是否在傳輸過程中出錯。本例中采用CRC-16算法，占2個字節，對從起始標識符開始到最后一個通信內容位的所有數據進行運算，把得到的結果附在最后。
2．2．2 收發流程
發送流程：將要發送的數據添加起始標識符和長度后，計算CRC-16校驗碼，附在最后，形成一個完整的數據幀，然后通過UART發送出去。發送完畢后啟動超時重傳計時器。
接收流程：當接收到一個字節的數據時，根據系統狀態采取不同的操作。當數據上交后，上層程序根據類型ID和通信內容來作出相應的響應。具體流程如圖3所示。
2．2．3 線路檢測機制
雖然本例中的UART接口是一種有線通信，而且線纜長度不超過20 cm，但仍有可能出現插口松脫、線纜銅芯斷裂等情況，造成線路中斷。對于轉換成RS232電平的應用，雖然RS232的最大傳輸距離不超過15 m，但如果在惡劣的環境中使用，仍無法完全避免線路發生中斷。因
此，有效的線路檢測機制是必需的。
本設計中，當本端系統狀態為Null時，每間隔1 s就發送一個線路探測幀，類型ID=0x00，通信內容=0x55。同時，如果本端在5 s內收不到任何新數據或者線路探測幀，則表明線路中斷，向上層程序發送線路中斷報告。對于需要交互秒時間信息的應用，線路探測幀可以省略，只檢測秒時間信息就可以達到線路探測的目的。
2．2．4 校正機制
因為串行通信普遍存在誤碼的問題，因此簡單有效的校正機制是必須的。由于采用的是點到點的串行接口，數據幀都是按照發送的先后順序到達接收端，不會出現后一幀比前一幀早到的情況，只需要采用CRC-16和簡單的ARQ機制，再加上超時重傳機制，就可以提供高可靠的數據傳輸。
接收方收到一個完整的數據幀之后，必須給發送方返回一個ACK幀，該幀的類型ID=0xFF。通信內容根據校驗的結果有所不同：校驗正確的，Data=1；校驗失敗的，Data=0。
發送方發送完一個完整的數據幀之后，啟動超時重傳計時器。如果在計時器超時之前沒有收到ACK幀，或者收到的ACK幀的Data為0，就重發上一個數據幀；當收到ACK幀之后，計時器歸零。發送方只有在收到Data為1的ACK幀后，才能發送下一個數據幀。當連續超時5次時，表明線路中斷，向上層程序發送線路中斷報告。
ACK幀和線路檢測幀無須應答。發送這兩種幀之后，無須設置超時重傳計時器。
2．2．5 接口控制
接口控制主要管理UART接口的收發，在此采用中斷的方式來實現。若有數據需要發送，則必須等發送緩存為空時，才能把數據寫入到發送緩存，否則會把舊的數據覆蓋掉，造成數據丟失。當數據寫入結束后，產生一個發送中斷，通知MCU把數據通過UART接口發送出去。當收到一個數據時，UART產生一個中斷信號，通知MCU把數據放入接收緩存，保存完成后清除中斷信號，等待接收下一個數據。只需修改接口控制部
分，就可以適用于不同的硬件接口。
3 實驗結果以及分析
為了驗證本串行通信協議的有效性，連接STM32和MST776的UART接口，在這兩個MCU上運行本通信協議，并在線纜上引出兩個探測點，使用MAX232芯片進行電平轉換，然后接到PC機的RS232接口上，進行數據檢測。通過Windows的超級終端，可以在PC機上看到UART接口收發數據的狀況。同時，通過JTAG接口可以看到通信協議向上層程序交付的數據。
實驗結果表明，本通信協議工作正常，收發數據正確，校正機制和線路檢測機制都工作良好。運行本通信協議后，兩個MCU都沒有出現數據溢出、死機等情況。這表明本文設計的串口通信協議能夠實現預期的功能，令Cortex-M3與C51之間可以有效地進行信息交互。
結語
本文基于Cortex-M3與C51之間的通信需求，設計了一種基于數據幀的通信協議，使得兩個MCU間可以進行有效的信息交互。本設計已經在某型多媒體系統上得到應用，使用效果很好，表現非常穩定。本設計具有良好的可移植性和通用性，在另一個嵌入式項目中，經過對程序的少量修改，也在SPI接口上得到了應用。