船用很多電子設備是通過RS-422 串口傳輸數據，比如導航儀通過RS-422 串口傳輸NMEA － 0183數據，這些數據包括定位信息，導航信息，船艏信息，雷達信息等。這就要求船上的顯示終端需要有很多的串口來接收和發送數據。導航儀主板上的SoC 芯片原生串口數量有限，有時不能滿足用戶需要，這就需要外接模塊來擴展串口。USB 總線連接簡單，信號只需要一對差分數據線傳輸，全速傳輸模式下帶寬可達12 Mbps；常見的船舶電子設備，其中RS-422最高傳輸需求波特率為115 200 bps，USB全速模式下傳輸率超過其100倍。USB總線擴展多個串口具有連線簡單，傳輸率高的優勢，適合做多串口擴展。

本文探討的擴展模塊基于單片機GD32F305設計，采用USB 總線擴展最多5 路串口。GD32F305是兆易創新公司出品的一個單片機系列，該系列單片機有一路USB總線，5 路串口，CPU 核心采用Cortex-M4，可以運行在120 MHz，功能和性能均可滿足設計要求。

1   信號連接框圖

本文以一款RK3128 導航儀主板為例，探討串口擴展方案。圖1 是主板信號連接圖，為重點說明擴展方案，信號只保留USB 和串口部分。

圖1 主板信號連接

RK3128 是瑞芯微出品的ARM Cortex-A7 4 核處理器，RK3128有3 個原生串口，其中串口2 和SD接口復用，實際可用的原生串口只有2 個, 不夠連接外部設備，因此采用本文所述方案擴展串口。如上圖RK3128 有1 個USB OTG， 和1 個USB HOST 接口， 其中USB OTG用于其它通用外設( 如U 盤，鼠標) 和引導鏡像燒寫，USB HOST 接口連接GD32F305RB 擴展串口；GD32 的5 個串口全部引出用于連接其它船用電子設備。

GD32F305 系列單片機，CPU 核心采用Cortex-M4，最大運行頻率為120 MHz，內置最少64 KB SRAM，最少128 KB FLASH，包含1 個USB OTG端口，5 個串口(3個USART 和2 個UART，5 個串口支持最高9 Mbit/s波特率) 及其他豐富的外設資源。

2   單片機程序

兆易創新提供了GD32F305 的固件庫，其中包含工程模板，啟動程序，豐富的外設調用程序及范例程序，并且還有用于簡化USB 固件程序設計的USB 程序框架。為加速開發過程，本方案充分利用了固件庫，并參照其中的USB CDC 范例代碼, 以USB 程序框架為基礎設計了USB 通信程序。單片機程序包括串口收發程序，USB 收發程序，數據轉發及命令處理程序，圖2 是整個單片機程序的概要圖。

圖2 單片機程序概要

3   串口收發程序

串口收發封裝為以下函數:

void uart_init();

int uart_read(int chn, void*dat, int size);

int uart_write(int chn, constvoid* dat, int size);

int uart_ioctl(int chn, intcmd, void * args);

uart_init() 為串口初始化函數，用于初始化所有用到的串口，主要包括收發緩沖初始化，串口引腳功能初始化，功能寄存器初始化，中斷初始化。

uart_read() 為串口接收函數，chn 為串口編號, dat 為接收數據緩沖指針，size 為數據緩沖的字節數，返回值為實際讀取到的字節數。

uart_write() 為串口發送函數，chn 為串口編號，dat為要發送的數據指針，size 為要發送的數據字節數，返回實際寫入串口發送緩沖的字節數。

uart_ioctl() 用于響應控制命令，chn 為串口編號，cmd 為命令編號，args 為命令參數，返回值根據不同命令定義。uart_ioctl() 主要處理串口波特率設置，回應當前對應串口發送緩沖字節數這兩個功能。

uart_read() 和 uart_write() 都是非阻塞設計，都是對相應的串口收發緩沖操作，實際數據收發是在中斷函數中處理。串口的中斷處理函數uart_irq_handle() 定義如下：

如上代碼， 串口中斷處理函數uart_irq_handle()調用了固件庫串口函數usart_interrupt_flag_get() 來判斷當前串口是否觸發了接收和發送中斷，usart_data_receive() 用于從當前串口接收寄存器讀取接收到的數據，usart_data_transmit() 用于將1 個字節的數據寫入當前串口的發送寄存器發送數據。bfifo_in_byte() 和bfifo_out_byte() 是一種環形緩沖bfifo 的操作函數，bfifo_in_byte() 用于將1 個字節數據寫入緩沖，bfifo_out_byte() 用于從緩沖讀取1 個字節數據，成功讀取返回true，如果緩沖無數據則返回false。

串口一次收發字節數不固定，環形緩沖很適合這種中斷處理隨機字節數據流的收發。環形緩沖是一種有固定存儲空間的數據結構，有讀、寫兩個指針，讀取緩沖時只操作讀指針，不會修改寫指針；往緩沖寫入數據時只操作寫指針而不會修改讀指針，環形緩沖的這種指針操作機制使得操作指針時不需要對指針做中斷互斥保護，因此不需要在收發數據時關閉開啟中斷。

環形緩沖的操作，要將指針的操作限定在環形緩沖大小之內，一般可以采用取模運算，比如以f->ptr_out為環形緩沖的讀指針，f->size 為環形緩沖的字節大小，當讀取完一個字節，讀指針前進為例，代碼如下：

本方案采用的bfifo 參照linux kernel 的kfifo, 在上述基礎上優化了指針的操作，將環形緩沖的大小限定為2 的n 次方，n 為整數，將取模操作用與運算替代以加速計算過程。同上述例子一樣的操作，設f->mask=f->size-1，代碼如下：

由于串口接收到數據后，中斷處理函數將數據保存到了環形接收緩沖中，uart_read() 函數只需要從環形接收緩沖將數據讀出保存到形參；uart_write() 則將形參指向的數據寫入到相應的環形發送緩沖中，并判斷當前串口發送中斷是否關閉，如果發送中斷關閉則重新打開，單片機將觸發發送中斷，發送環形發送緩沖的數據。

4   USB 數據收發程序

USB 數據收發程序封裝為以下函數:

usb_init() 為初始化函數，主要初始化USB 端口，USB 程序框架用到的定時器，USB 中斷，各種USB 描述符等。

usb_write() 為USB 數據送函數，負責將數據通過bulk 端點發往主機，dat 為要發送的數據指針，size 為要發送的數據字節數，返回實際發送的字節數。

usb_read() 是USB 數據讀取函數，負責讀取從主機發送往bulk 端點的數據，dat 為數據接收緩沖指針，size 為緩沖字節數，返回值為實際讀取到的字節數。

usb_set_class_callback() 用于設置USB Class 請求回調，callback 為回調函數，callback 的參數wIndex，bRequest，wValue，wLength 對應USB 標準控制傳輸的相應參數，dat 為數據緩沖指針，程序將bRequest 作為請求命令，當wLength > 0 時，程序根據bRequest 內容讀取dat 或往dat 寫數據。

USB 數據收發程序相比串口數據收發程序復雜很多，因此本方案借助兆易創新的USB 程序框架來簡化設計。USB 程序框架實現了基本的USB 傳輸，調用固件庫提供的USB 設備初始化函數，設置好相應的回調程序指針和USB 描述符，可快速實現基本的USB 數據傳輸。

固件庫USB 設備初始化函數為 usbd_init()，其定義如下：

其中參數 udev 為 USB 驅動句柄指針，usbd_init 將初始化其數據結構，之后程序操作 USB 設備將用到該句柄。

參數 core 為 USB 設備驅動核心枚舉。USB 固件庫支持 USB 全速和 USB 高速設備，core 用來指示這兩種類型設備的其中 1 種。（全速設備帶寬為 12 Mbps，可滿足設計，本方案實現的是全速設備；高速設備的帶寬為480 Mbps，實現高速USB設備，需要外加ULPI芯片。）

參數desc 為USB 描述符指針，desc 定義了設備描述符、配置描述符、接口描述符等。這些描述符用來描述USB 設備的屬性和用途。主機會在枚舉設備時獲取以確定設備是什么樣的設備，需要的總線資源，通訊方式等。

參數class_core 為USB 類結構體，該結構體定義了USB 類的初始化、反初始化、類請求、數據收發等函數指針，程序在初始化時設置好這些指針，這些指針將在USB 程序框架中被調用。其定義如下:

其中參數udev 為USB 驅動句柄指針，usbd_init 將初始化其數據結構，之后程序操作USB 設備將用到該句柄。參數core 為USB 設備驅動核心枚舉。USB 固件庫支持USB 全速和USB 高速設備，core 用來指示這兩種類型設備的其中1 種。（ 全速設備帶寬為12 Mbps，可滿足設計，本方案實現的是全速設備；高速設備的帶寬為480 Mbps，實現高速USB設備，需要外加ULPI 芯片。）

其中init 為初始化函數指針，當USB 連接時該指針指向的函數被調用，程序可在初始化函數中分配端點，初始化收發緩沖等；deinit 為反初始化函數指針，USB 連接斷開時被調用，程序要在這里釋放資源；req_proc 為設備請求函數指針，用于處理端點0 控制傳輸，當主機通過端點0 請求傳輸時，該指針指向的函數被調用，本方案在這里響應類請求，處理串口波特率設置和串口緩沖大小獲取；data_in 是處理data in 傳輸的函數指針，當主機向USB 設備請求數據時，該指針指向的函數被調用，程序在這里準備好要發往主機的數據；data_out是處理data out 傳輸的函數指針，當主機往USB 設備發送數據時，該指針指向的函數被調用，程序在這里接收主機下發的數據。

分析USB 程序框架，USB 數據傳輸采用DMA，1次可能傳輸多個字節數據；data_in 和data_out 都是在中斷處理程序中被調用，因此本文案設計一種環形緩沖加雙緩沖的方案來提高數據傳輸效率。環形緩沖用于避免變量互斥沖突，而雙緩沖用于提高DMA 傳輸效率。

上述雙緩沖，由1 個寫緩沖和1 個讀緩沖構成，數據結構如下：

結構體成員buffer 為內存緩沖，buf_len 為雙緩沖的字節數，程序分配雙緩沖時，分配buffer 空間為雙倍buf_len 字節數；index 為數據索引，用于指示當前讀寫緩沖的地址；len 為當前寫緩沖的數據字節數。

當程序往雙緩沖寫數據時，先獲取寫緩沖的地址，寫緩沖的地址為buffer+index*buf_len，再將數據寫入寫緩沖的末尾，地址為buffer+index*buf_len+len，之后再根據數據大小累加len。

當程序要讀取雙緩沖數據時，程序先讀取當前寫緩沖的字節數，獲取當前寫緩沖的內存地址，再對雙緩沖做一次數據緩沖翻轉，將原來的讀寫緩沖互換。雙緩沖的翻轉，重點是對index 進行反運算，index = !index。當DMA 完成一次傳輸時，程序可以快速翻轉雙緩沖，將讀寫緩沖地址交給DMA控制器進行下一次數據傳輸。如此可達到減少DMA 控制器等待時間的目的，以提高數據傳輸效率。

關于往bulk 端點發送數據，本方案定義了一個前文所述的環形緩沖fifo_bulk_in 和雙緩沖dbuf_bulk_in 來緩存數據，程序通過調用usb_write() 函數完成。usb_write() 主要負責將形參數據寫入fifo_bulk_in，并檢測當前USB 框架是否正在傳輸數據，這個狀態由變量is_bulk_in_busy 表示， 如果還未啟動數據傳輸，則取出環形緩沖fifo_bulk_in 的數據轉存至dbuf_bulk_in，翻轉dbuf_bulk_in，并調用固件庫函數usbd_ep_send() 啟動一次DMA 傳輸。當單片機完成一次傳輸，USB 框架會調用回調函數data_in()，此時根據data_in() 傳入的端點號，判斷端點號為bulk 端點準備bulk 數據發送。檢測fifo_bulk_in 是否有數據和上次傳輸的字節數是否為空，函數根據以下幾種情況處理：

如果fifo_bulk_in 有數據，則和上述usb_write() 檢測到未啟動傳輸時一樣，取fifo_bulk_in 數據轉存至dbuf_bulk_in，翻轉dbuf_bulk_in，再次發起一次DMA傳輸。

如果fifo_bulk_in 無數據，則發起一次0 數據傳輸以表示當前傳輸完成當fifo_bulk_in 無數據，且上次是0 數據傳輸時，則將is_bulk_in_busy 變量設置為false，表示USB 程序框架已停止bulk 數據發送bulk 端點數據接收也采用了一個環形緩沖和一個雙緩沖來緩存數據，分別用變量fifo_bulk_out 和dbuf_bulk_out 表示。

當程序調用usb_read() 時，先從fifo_bulk_out 中取數據存儲到形參接收緩沖，接著檢查當前bulk 端點是否正在接收數據，該狀態用is_bulk_out_busy 表示，當is_bulk_out_busy 值為false 時調用固件庫函數usb_ep_recv()，發起DMA 傳輸將數據存至dbuf_bulk_out，并將is_bulk_out_busy 值設置為true。

當bulk 端點接收到數據時，USB 程序框架調用data_out()，此時取出dbuf_bulk_out 的接收緩沖指針和接收數據字節數。先判斷fifo_bulk_out 剩余空間是否大于bulk 端點最大傳輸量，如果空間足夠則翻轉dbuf_bulk_out 并調用usb_ep_recv() 發起下一次DMA 傳輸；否則設置is_bulk_out_busy 值為false，表示bulk 端點接收空閑。最后通過之前暫存的dbuf_bulk_out 接收緩沖指針和接收數據字節數將本次傳輸接收到的數據轉存到fifo_bulk_out 完成本次bulk 端點數據接收處理。

當主機向單片機請求類的控制傳輸時，USB 程序框架將調用回調函數req_proc，請求的內容從req_proc 的參數req 獲得，req 的類型usb_req 定義如下:

程序接收到類控制傳輸請求時，根據req->bmRequestType 判斷當前數據傳輸方向s，如果是IN 類型的傳輸，則調用前文所述usb_set_class_callback() 設置的回調函數，傳遞req 的其它參數，如果req->wLength不為0，從回調函數讀取數據到全局變量ctlbuf 準備將數據回傳給主機。將ctlbuf 和req->wLength 傳遞給USB程序框架，USB程序框架將發送數據和狀態給主機。當數據發送完成時，USB 程序框架調用前文所述data_in 通知程序，程序設置調用API 通知USB 程序框架無剩余數據，完成本次控制傳輸請求。

如果當前數據傳輸類型是OUT 傳輸時，則先判斷req->wLength 是否為0，如果req->wLength 為0 時，直接調用前文所述usb_set_class_callback() 設置的回調函數即可。當req->wLength 不為0 時，表示此次控制傳輸附帶數據，此時程序先用全局變量last_req 暫存req 值，然后調用API 通知USB 程序框架將把此次傳輸的數據保存到ctlbuf。當USB 程序框架接收完此次傳輸的數據，將調用前文所述的data_out 通知程序，這時程序將傳遞上述last_req 變量及ctlbuf 通知前文所述usb_set_class_callback() 設置的回調函數。

5   數據轉發程序

數據轉發程序負責將所有串口的數據通過USB 端口轉發到主機，同時通過USB 端口從主機讀取數據發送給指定的串口。中間的數據傳輸采用特定的數據格式對串口數據進行封裝，標記同步頭，串口編號，字節數。本方案采用的數據包格式如下:

其中sync 為同步頭，固定為兩個’$’字符，用于解析時找到數據包的起始位置；chn 為串口編號，對應收發數據的串口；len 為數據字節數，用于表示后面dat 的實際大小；dat 為實際收發的數據，此處定義的數組大小不作為實際數據大小。

本方案定義了函數mux_pack_data() 用于封裝串口數據，其聲明如下：

其中dst 為數據緩沖地址，用于存放封裝好的數據包；chn 為串口編號；dat 為要傳輸的數據；len 為上述dat的數據字節數；返回封裝后的數據字節數。

數據轉發程序的串口接收部分主要操作為，逐一讀取各個串口的數據，調用mux_pack_data() 將數據封裝成一個個數據包存儲至臨時緩沖out_buf，最后調用前文所述USB 收發程序的發送函數usb_write() 將out_buf 的數據發給主機。

串口發送部分操作為，調用usb_read() 函數從主機讀取數據并解析，根據解析的數據包調用uart_write()往對應的串口發送數據。解析函數為mux_parse_data()，其聲明如下：

其中src 和len 為原始數據緩沖指針及數據大小；callback為回調函數；回調函數的參數chn 表示串口編號，dat為數據緩沖指針，len 為數據字節數。這里將從usb_read() 讀取到的數據傳入參數src 和len，當mux_parse_data() 解析到數據包，將通過callback 通知，此時程序將調用uart_write() 將數據發往指定串口。

6   命令處理程序

命令處理程序主要負責響應主機設置串口波特率，獲取串口寫緩沖的請求。這些請求通過USB 控制傳輸的類請求來處理，程序通過上文所述usb_set_class_callback() 設置類請求回調函數。類請求回調函數聲明如下:

bRequest 用于表示請求的命令，wIndex 表示串口編號，wValue 根據bRequest 不同用于表示設置的值，dat和wLength 用于當前請求需要補充的數據。

用宏定義表示請求的命令，REQ_SET_BAUD，REQ_ALL_UART_WRITE_ROOM 分別表示設置串口波特率，請求所有串口的剩余寫緩沖空間。

當主機請求設置串口波特率，handle_class_request將被調用，bRequest 值為REQ_SET_BAUD，wValue為波特率除以100 的值（以9600 為例，wValue 值為96），wIndex 表示串口編號，此時程序調用前文所述串口函數uart_ioctl() 設置編號為wIndex 串口的波特率為wValue×100。

當主機請求所有串口寫緩沖時，bRequest 值為REQ_ALL_UART_WRITE_ROOM， 程序調用uart_ioctl() 逐一獲取每個串口的剩余寫緩沖空間，寫至dat參數。傳遞至dat 的數據結構如下：

其中chn_num 為串口數量，room 為各個串口的剩余寫緩沖字節數，每個串口的剩余寫緩沖字節數用2 個字節的類型uint16_t 表示。

7   傳輸驗證

本方案USB 數據傳輸采用libusb 編寫測試程序在LINUX 系統下驗證。libusb 是一個在應用層調用的跨平臺USB 庫，包含了USB 傳輸所需要的API。相比在編寫內核驅動來驗證本方案的數據傳輸，采用libusb 更快捷，更方便調試。

本方案驗證傳輸采用了libusb 中比較方便調試的同步I/O API，聲明如下:

其中libusb_control_transfer() 用于發起控制傳輸，參數dev_handle 為USB 設備句柄，data 為補充數據的指針，timeout 為超時毫秒數，其它參數對應控制傳輸USB 的標準定義。函數返回傳輸狀態，成功傳輸返回枚舉值LIBUSB_SUCCESS。

libusb_bulk_transfer() 用于發起bulk 傳輸，dev_handle 為USB 設備句柄，endpoint 為bulk 端點編號，data 為接收或發送的數據緩沖指針，length 為數據字節數，actual_length 為實際傳輸的字節數，timeout 為超時毫秒數。

7.1 本方案主機接收據傳輸驗證，主要流程如下：

1）調用libusb_open_device_with_vid_pid()，根據設備vid，pid 打開USB 設備s

2）通過 libusb_control_transfer() 設置各個串口的波特率

3）通過電腦串口上發送測試文件到單片機的串口

4）電腦測試程序通過libusb_bulk_transfer() 從單片機USB 口讀取數據，通過轉發程序定義的協議解析數據包，根據串口號不同將數據分別存儲到不同的文件

5）對比發送和接收到的文件

7.2 主機發送數據傳輸驗證，流程如下：

1）在電腦測試程序通過 libusb_control_transfer()設置各個串口的波特率

2）電腦測試程序加載測試文件，通過轉發程序定義的協議將文件數據按各個串口封裝數據包，通過libusb_bulk_transfer() 往單片機USB 口發送數據

3）通過電腦串口從單片機接收數據并根據不同串口保存到不同文件

4）對比發送和接收到的文件由于USB 傳輸速度遠高于本方案串口，為避免緩沖溢出導致數據丟失，主機發送數據時需要根據串口最大發送緩沖大小和設計的最高波特率定時通過libusb_control_transfer() 獲取各個串口的剩余發送緩沖空間，測試程序根據單片機串口剩余發送緩沖空間確定當時能發送的字節數。本方案設計單片機串口最大發送緩沖大小為1 024 個字節，最高波特率為115 200，根據最高波特率串口最高發送速度為115 200/10等于11 520 字節/s，根據以上參數可知最大緩沖填滿時間為1 024/11 520 ≈ 88 ms，因此本方案輪詢單片機串口剩余發送緩沖時間間隔為80 ms 即可。

測試程序運行命令如下:

mux-test 為測試程序，-b 選項為波特率，這里設置為 115200；-f 選項為測試數據文件名，這里為origin.txt，origin.txt 為64kB 的文本文件；-s 為電腦的串口 tty 設備名，這里/dev/ttyUSB0 － 4 表示加載 /dev/ttyUSB0、/dev/ttyUSB1、…… /dev/ttyUSB4。

程序運行后，將從電腦串口讀取到的數據存儲到./tty 目錄下，文件根據串口編號命名，為0.txt、1.txt、……4.txt；從USB 讀取到的數據存儲到./usb 目錄下，文件根據單片機串口編號命名，為0.txt、1.txt、…… 4.txt。當程序運行完，運行以下命令比較文件：

以下是運行結果:

根據結果可以判斷出收發的數據完全一致。

8   結束語

本文首先分析了船舶導航儀對多串口的需求，并提出USB 擴展多串口的方案，分析該方案的可行性及便利性，并提出兆易創新的GD32F305 單片機來實現這一方案。接著以RK3128 主板為例介紹該擴展方案的硬件連接，然后探討了單片機程序的具體實現，最后介紹用libusb 進行數據傳輸驗證。

參考文獻：

[1] GD32F305xx Datasheet Rev1.3[G].

[2] GD32F30x_User_Manual_Rev2.8.pdf[G].

[3] USBFS/HS Firmware Library User Guide Revision1.0[G].

[4] Firmware Library User Guide Revison 1.0[G].

[5] USB in a Nutshell[G].

（本文來源于《電子產品世界》雜志2023年1月期）