Двоичный протокол: маркеры, escaping и скорость

Датчик уровня в моём баке отчитывался строкой вида uroven=255 всякий раз, когда я дёргал кран, — и я гордился, что всё читается глазами. Пока не добавил вторую плату-приёмник и не увидел в графике зазоры: приёмник не успевал. Разбор показал унизительное: строка uroven=255 — это одиннадцать байтов на каждое показание, а само значение — один байт 0xFF. При 9600 бод, где байт стоит около миллисекунды, я платил за удобство глаз десятью миллисекундами тишины на каждое число — плюс парсинг: выделить цифры после знака равенства и превратить их в целое, как в уроке про strtok и atoi. Мой второй тупик был тихим: я переписывал разбор на strchr, ужимал буферы — выигрывал проценты; переход на байты дал ускорение разом в пять, и для потока данных я больше не возвращался к строкам.

Двоичный протокол платит за скорость читаемостью: в мониторе байты превращаются в кракозябры, зато пакет из пяти байтов прилетает за пять миллисекунд и разбирается индексом массива вместо строковых функций. План урока: честная таблица «текстовый против двоичного», конструкция пакета — маркер 0xAA 0x55, длина, escaping, контрольная сумма — и приёмник, который не глухнет, когда маркер потерялся. В итоговом протоколе гирлянды мы договаривались словами; здесь договоримся байтами.

Разница живёт в паре вызовов. Serial.print(255) гонит три символа: двойку, пятёрку и ещё одну пятёрку; Serial.write(255) кладёт в линию один байт 0xFF — ровно то значение, которое и было. Обратно Serial.read() возвращает байт как есть, без превращения в символ и обратно. Если показание укладывается в диапазон 0-255 — а датчики почти всегда отдают именно это, — текстовая обёртка становится чистым налогом: три-четыре байта на число, разделитель, перевод строки.

Когда значения шире байта, раскладку надо оговорить заранее. int на AVR уезжает двумя байтами, младшим вперёд — little-endian; передатчик шлёт байт & 0xFF и потом (байт >> 8) & 0xFF, приёмник собирает обратно: младший + (старший << 8). Это же правило живёт внутри структур из урока про передачу структур по UART, просто там компилятор делает раскладку за вас. В собственном пакете вы раскладываете вручную — зато пакет весит ровно столько, сколько несёт данных, и не зависит от выравнивания полей в памяти.

Побайтовый увод целиком — приём из мира структур: блок памяти уезжает как есть. Но сырые байты без разметки приёмнику не помогут: он не знает, где начинается показание, если подключился посреди потока или после сбоя. Отсюда три обязательных элемента двоичного пакета: маркер начала, длина и контрольная сумма. Без маркера приёмник после включения питания собирает мусор в правильные на вид пакеты — я так однажды получил уровень бака 187 из пустого.

Маркер начала я всегда делаю 0xAA 0x55, и это не эстетика. 0xAA — это 10101010, 0x55 — 01010101: пара с максимальным числом перепадов уровня. Если приёмник подключился к линии в середине маркера или один байт доехал битым, шанс, что обрывок другого поля сойдёт за маркер, минимален: случайные данные редко чередуются так аккуратно. Одиночный байт я не ставлю ещё и потому, что 0x00 и 0xFF в покоящейся линии встречаются слишком часто.

Дальше пакет выглядит так: два байта маркера, байт длины данных, сами данные и контрольная сумма — длина плюс сумма байтов данных, обрезанная до байта. Сумма наивная, но для коротких пакетов её хватает; более строгие варианты — с XOR и CRC — мы считали в уроке про контрольную сумму. Загвоздка одна: данным разрешено содержать 0xAA — и тогда приёмник рискует принять их за начало следующего пакета.

Лечится escaping, он же byte stuffing: встретив в данных 0xAA, передатчик отправляет вместо него пару 0xAA 0x00. Настоящий маркер — это всегда 0xAA, за которым следует 0x55, а escape — всегда 0xAA 0x00: приёмник различает их по второму байту. Цена — переменная длина пакета: каждое 0xAA в данных добавляет один байт. В поле длины я пишу логическое значение — сколько байтов было до stuffing, — приёмник распаковывает и сверяет сумму с распакованными. Байт 0x55 внутри данных при этом безвреден: маркер открывает только пара AA 55, а данные гарантированно начинаются лишь после байта длины.

Приёмник — конечный автомат из трёх состояний: ищу первый 0xAA, жду 0x55, собираю пакет. В состоянии сборки каждая пара 0xAA 0x00 распаковывается в один байт данных, а одиночный 0xAA в потоке данных — нарушение формата: пакет бракуется, автомат возвращается к поиску маркера. Дошли до байта суммы — сверили с расчётом; сошлось — пакет отдан в работу, не сошлось — брошен целиком: частично чинить двоичный пакет бессмысленно, один битый байт портит весь смысл. Брак при этом не выбрасывает весь входной буфер: автомат возвращается к поиску маркера со следующего байта — если помеха зацепила один пакет из потока, соседние доезжают.

Грабля, на которой я оставил два вечера: маркер потерялся — провод дёрнули посреди пакета, помеха съела 0x55 — и приёмник застрял в состоянии «жду 0x55» навсегда. Новые пакеты упираются в замерший автомат и отбрасываются: приёмник глух, хотя линия жива. Лечение — таймаут: сборка не завершилась за 500 миллисекунд — автомат сбрасывается в поиск маркера. При потоке раз в секунду полсекунды достаются бесплатно; при плотном потоке таймаут ставят по длительности самого длинного пакета с запасом. Буфер приёма при этом не резиновый — 64 байта на Uno, как в уроке про буфер UART, — так что затяжную тишину переживаем без накопления мусора.

Движок симулятора не гоняет сырые байты между устройствами, поэтому передатчик и приёмник живут в одном скетче: «провод» — это массив, в который передатчик кладёт байты, а приёмник разбирает их по тем же правилам, что и настоящий UART-поток. Дамп пакета печатается в HEX парами — как его видел бы логический анализатор; правила перевода чисел повторяет урок про BIN, HEX и DEC.

Потенциометр A0 задаёт уровень датчика. Команда send отправляет пакет вручную: в журнале появится TX> с дампом AA 55 01 и далее, затем вердикт приёмника OK uroven= со значением. Команда bitoe портит один байт в линии — сумма не сойдётся, и пакет уйдёт в брак целиком. Команда aa прячет в данные сам байт 0xAA: в дампе вырастет пара AA 00, а приёмник распакует её обратно в 170. Команда tishina оставляет приёмник на середине пакета — через три секунды таймаут вернёт его к поиску маркера.

Перенос на две реальные платы отсюда короткий. В shliPaket вызов kladBait заменяется на Serial.write — по одному вызову на байт, порядок тот же; приёмник уже читает байты по одному, меняется только источник: вместо массива — Serial.available и Serial.read. Приёмник неблокирующий: он собирает байты по мере прихода и не мешает loop вести свои дела, поэтому на второй плате он встаёт рядом с датчиком без отдельного цикла ожидания. Передатчик — на плате с датчиком, приёмник — на плате с исполнительным механизмом, и протокол между ними после этого уже ни разу не менялся.