001 使用单片机实现的逻辑分析仪——吸收篇

本内容记录于韦东山老师的毕设级开源学习项目，含个人观点，请理性阅读。

个人笔记，没有套路，一步到位，欢迎交流！

00单片机的逻辑分析仪与商业版FPGA的逻辑分析仪异同

对比维度	自制STM32逻辑分析仪	商业版逻辑分析仪
采样率	通常较低（如1MHz，依赖STM32时钟配置）	极高（可达8GHz或更高）
通道数量	较少（如8-16通道，受限于STM32引脚与资源）	多（32-300通道以上，支持多总线同步采集）
存储深度	较浅（受STM32内存限制，如KB级）	深（512MB或更大，支持长时间数据捕获）
触发功能	基础触发（如电平触发、简单逻辑组合）	复杂触发（支持协议触发、毛刺检测、多条件组合触发）
协议支持	需依赖软件解码（如PulseView或自定义解析）	内置多种协议解码（SPI、I2C、UART等），支持自动化分析
实时性	依赖CPU处理能力，实时性较差	硬件加速处理，实时性高（如FPGA协处理）
成本	低成本（约数百元，依赖STM32开发板与配件）	高成本（数万至数十万元）
适用场景	教育、开发调试、简单信号分析	工业级测试、复杂系统调试、高精度协议验证
独立性	依赖上位机软件（如USB传输数据）	独立运行（内置操作系统与存储，无需外接设备）
扩展性	可通过代码自定义功能，灵活性高	功能固化，但支持模块化扩展（如增加探头或协议库）
信号保真度	可能受STM32采样精度与噪声影响	高精度采样（支持电压等级分析，非仅逻辑0/1）

01 上位机协议分析

1.PulseView协议分析

PulseView 作为一款开源逻辑分析仪软件，是属于sigrok开源软件组织的产品，其协议支持和通信机制主要围绕 硬件接口协议 和 软件解码协议 两方面展开。以下是详细分析：

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一、硬件通信协议

PulseView 通过 Sigrok 底层库（libsigrok）与硬件设备通信，支持多种硬件接口协议，具体包括：

1. SUMP协议/OLS(openbench-logic-sniffer)

也是韦东山老师的案例。

1. FX2LAFW 协议
   • 用于基于 CY7C68013A 或 CBM9002A 芯片的逻辑分析仪（如 UINIO-Logic-24MHz、Saleae 克隆版），通过 USB 接口传输数据，需配合 Zadig 工具安装驱动。
2. 自定义固件协议
   • 支持通过修改硬件固件（如改变 USB 设备标识符）适配不同硬件，例如树莓派 RP2040 板通过 Rust 编译固件实现协议兼容。

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二、软件解码协议

PulseView 依赖 Sigrok 解码库（libsigrokdecode）实现协议解析，支持以下两类协议：

1. 硬件通信协议解码
   • 常见协议：包括 I²C、SPI、UART、CAN、SD、1-Wire、IrDA 等 90+ 种协议，覆盖数字信号的波形解析与数据提取。
   • 自定义协议：用户可通过 Python 脚本扩展解码功能，例如支持UFCS快充协议等定制化需求。
2. 数据文件格式支持
   • VCD 文件：支持导入 Verilog 仿真生成的 VCD 波形文件，用于数字设计验证。
   • 二进制数据：通过 sigrok-cli 导出采样数据，支持 CSV、WAV 等格式

2.SUMP协议/OLS(openbench-logic-sniffer)

上位机发送的命令和数据有：

其中0x82：

#define CAPTURE_FLAG_RLEMODE1            (1 << 15)
#define CAPTURE_FLAG_RLEMODE0            (1 << 14)
#define CAPTURE_FLAG_RESERVED1           (1 << 13)
#define CAPTURE_FLAG_RESERVED0           (1 << 12)
#define CAPTURE_FLAG_INTERNAL_TEST_MODE  (1 << 11)
#define CAPTURE_FLAG_EXTERNAL_TEST_MODE  (1 << 10)
#define CAPTURE_FLAG_SWAP_CHANNELS       (1 << 9)
#define CAPTURE_FLAG_RLE                 (1 << 8)
#define CAPTURE_FLAG_INVERT_EXT_CLOCK    (1 << 7)
#define CAPTURE_FLAG_CLOCK_EXTERNAL      (1 << 6)
#define CAPTURE_FLAG_DISABLE_CHANGROUP_4 (1 << 5)
#define CAPTURE_FLAG_DISABLE_CHANGROUP_3 (1 << 4)
#define CAPTURE_FLAG_DISABLE_CHANGROUP_2 (1 << 3)
#define CAPTURE_FLAG_DISABLE_CHANGROUP_1 (1 << 2)
#define CAPTURE_FLAG_NOISE_FILTER        (1 << 1)
#define CAPTURE_FLAG_DEMUX               (1 << 0)

#define CMD_RESET                     0x00
#define CMD_ARM_BASIC_TRIGGER         0x01
#define CMD_ID                        0x02
#define CMD_METADATA                  0x04
#define CMD_FINISH_NOW                0x05 /* extension of Demon Core */
#define CMD_QUERY_INPUT_DATA          0x06 /* extension of Demon Core */
#define CMD_QUERY_CAPTURE_STATE       0x07 /* extension of Demon Core */
#define CMD_RETURN_CAPTURE_DATA       0x08 /* extension of Demon Core */
#define CMD_ARM_ADVANCED_TRIGGER      0x0F /* extension of Demon Core */
#define CMD_XON                       0x11
#define CMD_XOFF                      0x13
#define CMD_SET_DIVIDER               0x80
#define CMD_CAPTURE_SIZE              0x81
#define CMD_SET_FLAGS                 0x82
#define CMD_CAPTURE_DELAYCOUNT        0x83 /* extension of Pepino */
#define CMD_CAPTURE_READCOUNT         0x84 /* extension of Pepino */
#define CMD_SET_ADVANCED_TRIG_SEL     0x9E /* extension of Demon Core */
#define CMD_SET_ADVANCED_TRIG_WRITE   0x9F /* extension of Demon Core */
#define CMD_SET_BASIC_TRIGGER_MASK0   0xC0 /* 4 stages: 0xC0, 0xC4, 0xC8, 0xCC */
#define CMD_SET_BASIC_TRIGGER_VALUE0  0xC1 /* 4 stages: 0xC1, 0xC5, 0xC9, 0xCD */
#define CMD_SET_BASIC_TRIGGER_CONFIG0 0xC2 /* 4 stages: 0xC2, 0xC6, 0xCA, 0xCE */

02 下位机通信分析

1.对上位机的响应（流程分析）：

​1. 扫描连接设备阶段

我们使用串口接收中断，不断循环检测接收到的命令或者数据：

  	while (1){  if (uart_recv(&c, TIMEOUT_FOREVER) == 0){cmd_buffer[cmd_index] = c;	switch (cmd_buffer[0]){

• ​连接设备时：上位机（PulseView）会先发送复位命令（CMD_RESET）​​（命令码0x00），用于初始化下位机状态并清除缓存

                  case CMD_RESET:{break;}

• 应答回复：上位机（PulseView）会先发送CMD_ID 命令（“0x02”），下位机要回复 4 个字节“1ALS”。

                  case CMD_ID:{/* 上报4个字节"1ALS" */                uart_send((uint8_t *)"1ALS", 4, TIMEOUT_DEFAULT);break;}

• ​设备识别：随后发送查询设备信息命令​（命令码0x04），要求下位机返回设备固件版本、支持的通道数和最大采样率等信息。获取下位机的默认配置（如内存大小、支持的触发模式）,
   下位机要回复的参数格式为“1 字节的数据类别，多个字节的数据”，说明如下：
  

                  case CMD_METADATA:{uint32_t virtual_bufferSize = getBufferSize();uint32_t maxFrequency = getMaxFrequency();/* 上报参数 */ // 一个字节的发送，且最大等待时间TIMEOUT_DEFAULT=100ms//NAME   send_byte(0x01, TIMEOUT_DEFAULT);send_string("100ASK_LogicalNucleo", TIMEOUT_DEFAULT);send_byte(0x00, TIMEOUT_DEFAULT);//SAMPLE MEMsend_byte(0x21, TIMEOUT_DEFAULT);send_uint32(virtual_bufferSize, TIMEOUT_DEFAULT);//DYNAMIC MEMsend_byte(0x22, TIMEOUT_DEFAULT);send_uint32(0, TIMEOUT_DEFAULT);//SAMPLE RATEsend_byte(0x23, TIMEOUT_DEFAULT);send_uint32(maxFrequency, TIMEOUT_DEFAULT);//Number of Probessend_byte(0x40, TIMEOUT_DEFAULT);send_byte(8, TIMEOUT_DEFAULT);//Protocol Versionsend_byte(0x41, TIMEOUT_DEFAULT);send_byte(0x02, TIMEOUT_DEFAULT);//ENDsend_byte(0x00, TIMEOUT_DEFAULT);break;}//大端序处理：将32位整数拆分为4字节，按高位优先（MSB first）传输
  static int send_uint32(uint32_t val, int timeout)
  {uint8_t buffer[4]; // 用于存储整数的各个字节  buffer[3] = BYTE0(val);  buffer[2] = BYTE1(val);  buffer[1] = BYTE2(val);  buffer[0] = BYTE3(val); uart_send(buffer, 4, timeout);return 0;
  }
  //为什么要这么处理呢？
  /*
  1.​大端序转换,统一字节顺序避免端序歧义(无论内存大端小端)
  2.强制4字节长度避免粘包问题
  */
  static int send_string(char *str, int timeout)
  {return uart_send((uint8_t *)str, strlen(str), timeout);
  }

2. 参数配置阶段

​触发配置，上位机发送触发掩码和值​，定义触发信号的逻辑条件：

• ​使能触发：通过0xC0命令设置通道使能

  				case CMD_SET_BASIC_TRIGGER_MASK0:{cmd_index++;if(cmd_index < 5)//需要 ​5字节数据​（1字节命令 + 4字节掩码），小于5，则跳过后//续代码（continue），继续接收数据。当 cmd_index 达到5时，说明已接收完整数据。continue;setTriggerMask(*(uint32_t *)(cmd_buffer + 1));//取首地址+1及后32位break;}

• ​触发条件：通过0xC1系列命令设置触发值（如高\低电平触发）

  				case CMD_SET_BASIC_TRIGGER_VALUE0:{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;setTriggerValue(*(uint32_t *)(cmd_buffer + 1));break;}

• 通道使能：通过0xC2命令启动触发（如0x00 0x00 0x00 0x08中最后一个字节的bit3=1表示启动触发）

  				case CMD_SET_BASIC_TRIGGER_CONFIG0:{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;uint8_t serial = (*((uint8_t*)(cmd_buffer + 4)) & 0x04) > 0 ? 1 : 0;uint8_t state = (*((uint8_t*)(cmd_buffer + 4)) & 0x08) > 0 ? 1 : 0;if(serial == 1)setTriggerState(0);//Not supportedelsesetTriggerState(state);break;}

​设置采样参数，上位机通过命令组​配置以下参数：

采样次数与采样前舍去次数设置： 

• ​采样率：通过0x80命令是根据设置的采样频率算出分频系数，例如X=（100Mhz/200Khz）-1 》可得X=499》》0xf3 0x01 0x00 0x00表示0000 01f3=499（其中采样频率<100Mhz时按100Mhz算                >100Mhz时按200Mhz算）

  				case CMD_SET_DIVIDER: {cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;uint32_t divider = *((uint32_t *)(cmd_buffer + 1));setSamplingDivider(divider);break;}static void setSamplingDivider (uint32_t divider)
  {int f = 100000000 / (divider + 1);if(f > MAX_FREQUENCY)f = MAX_FREQUENCY;g_samplingRate = f;
  }

当下位机buffer超过256k，采样次数与采样前舍去次数分开下发

• ​采样次数： 通过0x84命令+32位数据表示
• 采样前舍去次数（延时次数）： 通过0x83命令+32位数表示
  

  				case CMD_CAPTURE_DELAYCOUNT://83{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;uint32_t delayCount  = *((uint32_t*)(cmd_buffer + 1));setSamplingDelay(4 * delayCount);								break;}									case CMD_CAPTURE_READCOUNT://84{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;uint32_t readCount  = *((uint32_t*)(cmd_buffer + 1));setSampleNumber(4 * readCount);								break;}

当下位机buffer小于256k，前两位表示采样次数后两位表示采样前舍去次数

• 采样次数和延时次数： 通过0x81命令+32位数表示

  				case CMD_CAPTURE_SIZE:{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;uint16_t readCount  = *((uint16_t*)(cmd_buffer + 1));uint16_t delayCount = * ((uint16_t*)(cmd_buffer + 3));setSampleNumber(4 * readCount);setSamplingDelay(4 * delayCount);break;}

• 通道使能：通过0x82命令启用/禁用特定通道

  				case CMD_SET_FLAGS:{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;setFlags(*(uint32_t *)(cmd_buffer + 1));break;}

  

3. 触发与数据采集阶段

• ​启动采集：发送运行命令CMD_ARM_BASIC_TRIGGER（命令码0x01），下位机开始采样，采样结束后上报数据。下位机要注意接收停止命令CMD_XOFF （命令码0x13）

  				case CMD_ARM_BASIC_TRIGGER:{run();break;}case CMD_XOFF:{//stop ();break;}
  static void run (void)
  {/* 采集数据 */start();/* 上报数据 */upload();
  }

协议可有的功能：

• ​触发事件处理：
  • 当触发条件满足时，下位机停止采样并缓存触发点前后的数据（预触发和触发后数据）
  • 上位机通过读取状态命令（命令码0x20）​轮询下位机状态，直到收到触发完成标志
• ​数据回传：上位机发送读取数据命令（命令码0x20）​，下位机按SUMP协议格式返回二进制数据块（包含时间戳和通道状态）

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注意：数据格式与传输特点

• ​数据块结构：SUMP协议要求数据以32位小端存储格式传输（最大支持 32 个采样通道），每个采样点按通道顺序打包（例如通道0对应最低位），与STM32的变量存储方式一样，还有串口通信、USB协议都是规定低位先行……最后是数组元素在内存中是连续存储的，且地址从低到高依次排列。
  所以(uint32_t *)buff[1]一到四字节直接可用且分别对应 group1 的channel 0~7，group2、3、4等同理。
• 传输顺序：它上报的数据是：先上报最后一个采样的数据，最后上报第 1 个采样点的数据。
• ​数据流控制：上位机可能分批次请求数据（通过分段读取命令），避免单次传输过大导致缓冲区溢出

2.娱乐部分：

可以自行使用逻辑分析仪监控USB模拟的串口通信​（用另一台PulseView检测），观察命令码和数据是否符合SUMP协议规范

注意USB模拟的串口在48Mhz以上的采样频率下会比较清晰

03 软件实现与性能压榨

1.采样频率优化——使用汇编语句

测量读 GPIO 操作、读写 buffer、NOP 指令的时间、逻辑右移、加法操作的时间测量方法类似如下（使用汇编语句）：

结论：循环一次耗时 44+24+16+23=107ns，理论上最高的采样频率=1/107ns=9MHz。

测量处理 Tick 中断函数的时间：

汇编优化数据采集

BUFFER_SIZE equ 3100  ; 注意这个数值要跟logicanalyzer.c中的BUFFER_SIZE保持一致; 声明后续代码使用 Thumb 指令集THUMB	;16 位指令集_大多数 Cortex-M 芯片默认使用 Thumb 模式AREA    |.text|, CODE, READONLY	;汇编伪指令_|.text|为标准代码段名——CODE 表示这是一个代码段，READONLY 表示只读; sample_function handler
sample_function    PROC	; 函数开始标记EXPORT  sample_function	;相当于C语言中的 extern 声明，但方向相反（这里是汇编导出给外部使用）IMPORT g_rxdata_bufIMPORT g_rxcnt_bufIMPORT g_cur_posIMPORT g_cur_sample_cntIMPORT get_stop_cmdIMPORT g_convreted_sample_countPUSH     {R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, LR}	; 函数入口保存寄存器——LR（Link Register）存储了函数执行完毕后应返回的地址LDR R0, =g_rxdata_buf  ; 得到这些变量的地址,并不是得到它们的值LDR R1, =g_rxcnt_buf   ; 得到g_rxcnt_buf变量的地址,并不是得到它的值LDR R2, =g_cur_pos     ; 得到当前缓冲区位置g_cur_pos变量的地址,并不是得到它的值LDR R2, [R2]           ; 得到当前缓冲区位置g_cur_pos变量的值LDR R3, =g_cur_sample_cnt	;采样计数器 LDR R3, [R3]	;LDR R4, =get_stop_cmd	;停止命令LDR R5, =g_convreted_sample_count	;实际需要采集的样本数LDR R5, [R5]LDR R8, [R0]  ; pre_dataLDR R10, =BUFFER_SIZELDR  R6, =0x40010C08	;GPIOB_IDR地址用于读取PB8-PB15引脚状态; 设置PA15的值备用LDR R11, =0X40010810LDR R12, =(1<<15)LDR LR, =(1<<31)
Loop    ; 设置PA15输出高电平STR R12, [R11]
;read dataLDRH R7, [R6]  ; 读GPIOB_IDRLSR R7, #8    ; data = (*data_reg) >> 8;CMP R7, R8	;条件执行__与ADDNE条件码NE关联ADDNE R2, #1  ; g_cur_pos += (data != pre_data)? 1 : 0;STRB R7, [R0, R2] ; g_rxdata_buf[g_cur_pos] = data;    ;目标地址 = R0 + R2MOV R8, R7        ; pre_data = dataLDR R7, [R1, R2, LSL #2] ; R7 = g_rxcnt_buf[g_cur_pos]	;乘以4（即左移2位）;目标地址 = 数组基地址（R1） + 下标（R2） * 元素大小（4）ADD R7, #1STR R7, [R1, R2, LSL #2] ; g_rxcnt_buf[g_cur_pos]++;ADD R3, #1    ; g_cur_sample_cnt++;CMP R3, R5    ; if (g_cur_sample_cnt >= g_convreted_sample_count) break;BGE LoopDoneLDR R7, [R4]  ; R7 = get_stop_cmdCMP R7, #0    ; if (get_stop_cmd) break;BNE LoopDone    ;基于零标志位（Z）判断相等或不等CMP R2, R10    ; if (g_cur_pos >= BUFFER_SIZE) break;BGE LoopDone    ;大于或等于时跳转NOPNOP         ; 延时, 凑出2MHz; 设置PA15输出高电平STR LR, [R11]B LoopLoopDoneLDR R0, =g_cur_pos     ; 得到g_cur_pos变量的地址,并不是得到它的值STR R2, [R0]           ; 保存g_cur_pos变量的值LDR R0, =g_cur_sample_cntSTR R3, [R0]           ; 保存g_cur_sample_cnt变量的值POP     {R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10, R11, R12, PC}	; 函数出口恢复寄存器;​为什么用 PC 而不是 LR_因为 LR 可能在函数内部被修改（例如嵌套调用），而栈中保存的是原始的返回地址ENDP	 ; 函数结束标记

2.内存保存采样数据优化

在有限的内存里，我们需要提高内存的使用效率：不变的数据就不要保存了。新方案

如下：

① 定义两个数组：uint8_t data_buf[BUFFER_SIZE]、uint8_t cnt_buf[BUFFER_SIZE]

① 以比较高的、频率周期性地读取 GPIO 的值

② 只有 GPIO 值发生变化了，才存入 data_buf[i++]；GPIO 值无变化时，cnt_buf[i-1]累 加

③ 以后，根据 data_buf、cnt_buf 恢复各个采样点的数据，上报给上位机

        /* 4.1 读取数据 */data = (*data_reg) >> 8;/* 4.2 保存数据 */        g_cur_pos += (data != pre_data)? 1 : 0; /* 数据不变的话,写位置不变 */g_rxdata_buf[g_cur_pos] = data;         /* 保存数据 */g_rxcnt_buf[g_cur_pos]++;               /* 增加"相同的数据"个数 */g_cur_sample_cnt++;                     /* 累加采样个数 */pre_data = data;

3.USB串口传输优化

优势或特点

• 使用环形缓冲区+​DMA持续写入数据，不阻塞硬件接收。主程序按需读取数据，无需实时响应每个字节。缓冲区未满时，新数据持续写入；缓冲区满时，也可触发溢出处理。内存固定、无拷贝开销——天然的多任务运行！

  static int8_t CDC_Receive_FS(uint8_t* Buf, uint32_t *Len)
  {/* USER CODE BEGIN 6 */for (uint32_t i = 0; i < *Len; i++){circle_buf_write(&g_uart_rx_bufs, Buf[i]);}USBD_CDC_SetRxBuffer(&hUsbDeviceFS, &Buf[0]);USBD_CDC_ReceivePacket(&hUsbDeviceFS);return (USBD_OK);/* USER CODE END 6 */
  }

• 下位机想通过 USB 口发送数据时，要确保上次传输完成

uint8_t usb_send(uint8_t *datas, int len, int timeout)
{USBD_CDC_HandleTypeDef *hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef*)hUsbDeviceFS.pClassData;while(1){if (hcdc->TxState == 0){break;}if (timeout--){mdelay(1);}else{return HAL_BUSY;}}return CDC_Transmit_FS(datas, len);
}

硬件问题：

/*********************************************************************** 函数名称： uart_save_in_buf_and_send* 功能描述： 使用USB传输时,一个一个字节地传输效率非常低,尽量一次传输64字节* 输入参数： datas - 保存有要发送的数据*            len - 数据长度*            timeout - 超时时间(ms)*            flush - 1(即刻发送), 0(可以先缓存起来)***********************************************************************/
static void uart_save_in_buf_and_send(uint8_t *datas, int len, int timeout, int flush)
{static uint8_t buf[64];static int32_t cnt = 0;for( int32_t i = 0; i < len; i++ ){buf[cnt++] = datas[i]; /* 先存入buf, 凑够63字节再发送 */if (cnt == 63){/* 对于USB传输,它内部发送64字节数据后还要发送一个零包* 所以我们只发送63字节以免再发送零包*/uart_send(buf, cnt, timeout);cnt = 0;}}/* 如果指定要"flush"(比如这是最后要发送的数据了), 则发送剩下的数据 */if (flush && cnt){uart_send(buf, cnt, timeout);cnt = 0;}
}

4.使用 RLE 提升重复数据的传输效率

1.RLE规则(SUMP 协议里规定)

编码规则：

• ​长度字段：最高位为1，低7位表示(重复次数-1)（如重复10次编码为0x89）。
• ​数据字段：最高位置0（data = g_rxdata_buf[i] & ~0x80），避免与长度字段冲突。

2.代码实现

                if (g_flags & CAPTURE_FLAG_RLE){/* RLE : Run Length Encoding, 在数据里嵌入长度, 在传输重复的数据时可以提高效率* 先传输长度: 最高位为1表示长度, 去掉最高位的数值为n, 表示有(n+1)个数据* 再传输数据本身 (数据的最高位必须为0)* 例子1: 对于8通道的数据, channel 7就无法使用了* 要传输10个数据 0x12时, 只需要传输2字节: 0x89 0x12* 0x89的最高位为1, 表示有(9+1)个相同的数据, 数据为0x12* * 例子2: 对于32通道的数据, channel 31就无法使用了* 要传输10个数据 0x12345678时, 只需要传输8字节: 0x09 0x00 0x00 0x80 0x78 0x56 0x34 0x12* "0x09 0x00 0x00 0x80"的最高位为1, 表示有(9+1)个相同的数据, 数据为"0x78 0x56 0x34 0x12"*/data = g_rxdata_buf[i] & ~0x80; /* 使用RLE时数据的最高位要清零 */;if (rle_cnt == 0){pre_data = data;rle_cnt = 1;}else if (pre_data == data){rle_cnt++; /* 数据相同则累加个数 */}else if (pre_data != data){/* 数据不同则上传前面的数据 */if (rle_cnt == 1) /* 如果前面的数据只有一个,则无需RLE编码 */uart_save_in_buf_and_send(&pre_data, 1, 100, 0);else{/* 如果前面的数据大于1个,则使用RLE编码 */rle_cnt = 0x80 | (rle_cnt - 1);uart_save_in_buf_and_send(&rle_cnt, 1, 100, 0);//长度字段uart_save_in_buf_and_send(&pre_data, 1, 100, 0);}pre_data = data;rle_cnt = 1;}if(rle_cnt == 128){/* 对于只有8个通道的逻辑分析仪, 只使用1个字节表示长度,最大长度为128* 当相同数据个数累加到128个时,* 就先上传*/rle_cnt = 0x80 | (rle_cnt - 1);uart_save_in_buf_and_send(&rle_cnt, 1, 100, 0);uart_save_in_buf_and_send(&pre_data, 1, 100, 0);rle_cnt = 0;}}else{/* 上位机没有起到RLE功能则直接上传 */uart_save_in_buf_and_send(&g_rxdata_buf[i], 1, 100, 0);}cnt = 0;}…………………………………………………………………………………………/* 发送最后的数据 *因为可能数据遍历完了，但没有达到发送数据的条件：(pre_data != data)、(rle_cnt == 128)，*即有有>=1个以上的数据没有上传*/if ((g_flags | CAPTURE_FLAG_RLE) && rle_cnt){if (rle_cnt == 1)uart_save_in_buf_and_send(&pre_data, 1, 100, 0);else{rle_cnt = 0x80 | (rle_cnt - 1);uart_save_in_buf_and_send(&rle_cnt, 1, 100, 0);uart_save_in_buf_and_send(&pre_data, 1, 100, 0);}}/* 为了提高USB上传效率,我们原本一直是"凑够一定量的数据后才发送",* 现在都到最后一步了,剩下的数据全部flush、上传*/uart_save_in_buf_and_send(NULL, 0, 100, 1);

03 代码实现

1.解析命令

void LogicalAnalyzerTask(void)	
{uint8_t cmd_buffer[5];uint8_t cmd_index = 0;uint8_t c;while (1){if (uart_recv(&c, TIMEOUT_FOREVER) == 0){cmd_buffer[cmd_index] = c;	switch (cmd_buffer[0]){case CMD_RESET://00{break;}case CMD_ID://02{/* 上报4个字节"1ALS" */                uart_send((uint8_t *)"1ALS", 4, TIMEOUT_DEFAULT);break;}case CMD_METADATA://04{uint32_t virtual_bufferSize = getBufferSize();uint32_t maxFrequency = getMaxFrequency();/* 上报参数 */ //NAMEsend_byte(0x01, TIMEOUT_DEFAULT);send_string("100ASK_LogicalNucleo", TIMEOUT_DEFAULT);send_byte(0x00, TIMEOUT_DEFAULT);//SAMPLE MEMsend_byte(0x21, TIMEOUT_DEFAULT);send_uint32(virtual_bufferSize, TIMEOUT_DEFAULT);//DYNAMIC MEMsend_byte(0x22, TIMEOUT_DEFAULT);send_uint32(0, TIMEOUT_DEFAULT);//SAMPLE RATEsend_byte(0x23, TIMEOUT_DEFAULT);send_uint32(maxFrequency, TIMEOUT_DEFAULT);//Number of Probessend_byte(0x40, TIMEOUT_DEFAULT);send_byte(8, TIMEOUT_DEFAULT);//Protocol Versionsend_byte(0x41, TIMEOUT_DEFAULT);send_byte(0x02, TIMEOUT_DEFAULT);//ENDsend_byte(0x00, TIMEOUT_DEFAULT);break;}case CMD_ARM_BASIC_TRIGGER://01{run();break;}case CMD_XON:{//start();break;}case CMD_XOFF:{//stop ();break;}case CMD_CAPTURE_SIZE://81{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;uint16_t readCount  = *((uint16_t*)(cmd_buffer + 1));uint16_t delayCount = * ((uint16_t*)(cmd_buffer + 3));setSampleNumber(4 * readCount);setSamplingDelay(4 * delayCount);break;}case CMD_SET_DIVIDER: //80{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;uint32_t divider = *((uint32_t *)(cmd_buffer + 1));setSamplingDivider(divider);break;}case CMD_SET_BASIC_TRIGGER_MASK0://c0{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;setTriggerMask(*(uint32_t *)(cmd_buffer + 1));break;}case CMD_SET_BASIC_TRIGGER_VALUE0://c1{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;setTriggerValue(*(uint32_t *)(cmd_buffer + 1));break;}case CMD_SET_BASIC_TRIGGER_CONFIG0://c2{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;uint8_t serial = (*((uint8_t*)(cmd_buffer + 4)) & 0x04) > 0 ? 1 : 0;uint8_t state = (*((uint8_t*)(cmd_buffer + 4)) & 0x08) > 0 ? 1 : 0;if(serial == 1)setTriggerState(0);//Not supportedelsesetTriggerState(state);break;}case CMD_SET_FLAGS://82{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;setFlags(*(uint32_t *)(cmd_buffer + 1));break;}case CMD_CAPTURE_DELAYCOUNT://83{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;uint32_t delayCount  = *((uint32_t*)(cmd_buffer + 1));setSamplingDelay(4 * delayCount);								break;}									case CMD_CAPTURE_READCOUNT://84{cmd_index++;if(cmd_index < 5)continue;uint32_t readCount  = *((uint32_t*)(cmd_buffer + 1));setSampleNumber(4 * readCount);								break;}default:{}}cmd_index = 0;memset(cmd_buffer, 0, sizeof(cmd_buffer));//清除原先buff}}
}

2. 采集数据

• 必须严格按照设定的采样频率采集信号，确保时间分辨率（如1MHz采样率对应1μs时间精度）。
• ​时序准确性是逻辑分析仪的核心指标，直接影响信号分析的可靠性

① 禁止中断：这是为了在采集数据时以最快的频率采集，不让中断干扰。

除了串口中断之外，其他中断都禁止。下位机只有 tick 中断、串口中断，所以只需要

禁止 tick 中断。

保留串口中断的原因在于：上位机可能发来命令停止采样。

② 等待触发条件：用户可能设置触发采样的条件

③ 触发条件满足后，延时一会：没有必要

④ 循环：以最高频率采样

退出的条件有三：收到上位机发来的停止命令、采集完毕、数据 buffer 已经满

⑤ 恢复中断

static void start (void)
{extern void sample_function();uint8_t data;uint8_t pre_data;volatile uint16_t *data_reg = (volatile uint16_t *)0x40010C08; /* GPIOB_IDR用于读取PB8-PB15引脚状态。 */volatile uint32_t *pa15_reg = (volatile uint32_t *)0X40010810; /* GPIOA_BSRR通过PA15引脚输出信号 *///计算实际需要采集的样本数，因为我们直接使用max采样f运行//上位机次数*（MAX采样f/）g_convreted_sample_count = g_sampleNumber * (MAX_FREQUENCY / g_samplingRate);get_stop_cmd = 0;//用户停止标志，初始化为0//清空数据缓冲区位置和采样计数器。g_cur_pos = 0;g_cur_sample_cnt = 0;(void)pre_data;(void)pa15_reg;/* 1. 除了串口中断,其他中断都禁止 */Disable_TickIRQ();//关闭系统定时器中断（如SysTick），防止中断干扰实时采样。memset(g_rxcnt_buf, 0, sizeof(g_rxcnt_buf));//​清空计数缓冲区/* 2. 等待触发条件 */if (g_triggerState && g_triggerMask)//判读上位机设置的端口是否开启{while (1)//监测GPIO引脚状态，当满足预设的触发条件（高/低电平）时退出等待{data = (*data_reg) >> 8;/* 有没有期待的高电平? */if (data & g_triggerMask & g_triggerValue)break;/* 有没有期待的低电平? */if (~data & g_triggerMask & ~g_triggerValue)break;/* 用户选择停止? */if (get_stop_cmd)//若用户发送停止信号（get_stop_cmd=1），立即退出函数。return;}}/* 3. 这里可以延时g_sampleDelay个采样周期,但是没有必要 */(void)g_sampleDelay;//没有用到data = (*data_reg) >> 8;g_rxdata_buf[0] = data;g_rxcnt_buf[0] = 1;g_cur_sample_cnt = 1;pre_data = data;/* 4. 以最高的频率采集数据 */
#ifdef USE_ASM_TO_SAMPLEsample_function();
#else//1Mhz运行while (1){        *pa15_reg = (1<<15); /* PA15输出高电平 *//* 4.1 读取数据 */data = (*data_reg) >> 8;/* 4.2 保存数据 */        g_cur_pos += (data != pre_data)? 1 : 0; /* 数据不变的话,写位置不变 */g_rxdata_buf[g_cur_pos] = data;         /* 保存数据 */g_rxcnt_buf[g_cur_pos]++;               /* 增加"相同的数据"个数 */g_cur_sample_cnt++;                     /* 累加采样个数 */pre_data = data;/* 4.3 串口收到停止命令 */if (get_stop_cmd)break;/* 4.4 采集完毕? */if (g_cur_sample_cnt >= g_convreted_sample_count)break;/* 4.5 buffer满? */if (g_cur_pos >= BUFFER_SIZE)break;/* 4.6 加入这些延时凑出1MHz,加入多少个nop需要使用示波器或逻辑分析仪观察、调整 */__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );__asm volatile( "nop" );*pa15_reg = (1UL<<31); /* PA15输出低电平 */}
#endif/* 5. 使能被禁止的中断 */Enable_TickIRQ();
}

3. 上报数据

• 无需严格实时传输：上报频率可以与采样频率解耦，但需保证数据顺序和时序信息完整。
• ​关键要求：
  • 数据顺序正确（先采样的数据先上报）。
  • 每个数据点的时间戳或等效时间信息可被上位机还原（如通过固定采样率计算时间偏移）

采集数据时是以最大频率采集的，比如以 1MHz 采集。如果上位机要求的采样频率是

200KHz：1MHz/200KHz=5，采集到的数据量是上报数据量的 5 倍。我们只需要每隔 5 个数据

上报一个即可。

static void upload (void)
{int32_t i = g_cur_pos;uint32_t j;uint32_t rate = MAX_FREQUENCY / g_samplingRate;int cnt = 0;uint8_t pre_data;//数据字段uint8_t data;uint8_t rle_cnt = 0;//长度字段for (; i >= 0; i--)//外层循环遍历数据位置（i从g_cur_pos递减到0）{for (j = 0; j < g_rxcnt_buf[i]; j++)//内层循环遍历每个位置的重复次数，逐个检查是否达到降采样点,仅上传周期匹配的数据点{cnt++;  /* 我们以最大频率采样, 假设最大频率是1MHz* 上位机想以200KHz的频率采样* 那么在得到的数据里, 每5个里只需要上报1个*/if (cnt == rate) {if (g_flags & CAPTURE_FLAG_RLE){/* RLE : Run Length Encoding, 在数据里嵌入长度, 在传输重复的数据时可以提高效率* 先传输长度: 最高位为1表示长度, 去掉最高位的数值为n, 表示有(n+1)个数据* 再传输数据本身 (数据的最高位必须为0)* 例子1: 对于8通道的数据, channel 7就无法使用了* 要传输10个数据 0x12时, 只需要传输2字节: 0x89 0x12* 0x89的最高位为1, 表示有(9+1)个相同的数据, 数据为0x12* * 例子2: 对于32通道的数据, channel 31就无法使用了* 要传输10个数据 0x12345678时, 只需要传输8字节: 0x09 0x00 0x00 0x80 0x78 0x56 0x34 0x12* "0x09 0x00 0x00 0x80"的最高位为1, 表示有(9+1)个相同的数据, 数据为"0x78 0x56 0x34 0x12"*/data = g_rxdata_buf[i] & ~0x80; /* 使用RLE时数据的最高位要清零 */;if (rle_cnt == 0){pre_data = data;rle_cnt = 1;}else if (pre_data == data){rle_cnt++; /* 数据相同则累加个数 */}else if (pre_data != data){/* 数据不同则上传前面的数据 */if (rle_cnt == 1) /* 如果前面的数据只有一个,则无需RLE编码 */uart_save_in_buf_and_send(&pre_data, 1, 100, 0);else{/* 如果前面的数据大于1个,则使用RLE编码 */rle_cnt = 0x80 | (rle_cnt - 1);uart_save_in_buf_and_send(&rle_cnt, 1, 100, 0);//长度字段uart_save_in_buf_and_send(&pre_data, 1, 100, 0);}pre_data = data;rle_cnt = 1;}if(rle_cnt == 128){/* 对于只有8个通道的逻辑分析仪, 只使用1个字节表示长度,最大长度为128* 当相同数据个数累加到128个时,* 就先上传*/rle_cnt = 0x80 | (rle_cnt - 1);uart_save_in_buf_and_send(&rle_cnt, 1, 100, 0);uart_save_in_buf_and_send(&pre_data, 1, 100, 0);rle_cnt = 0;}}else{/* 上位机没有起到RLE功能则直接上传 */uart_save_in_buf_and_send(&g_rxdata_buf[i], 1, 100, 0);}cnt = 0;}}}/* 发送最后的数据 *因为可能数据遍历完了，但没有达到发送数据的条件：(pre_data != data)、(rle_cnt == 128)，*即有有>=1个以上的数据没有上传*/if ((g_flags | CAPTURE_FLAG_RLE) && rle_cnt){if (rle_cnt == 1)uart_save_in_buf_and_send(&pre_data, 1, 100, 0);else{rle_cnt = 0x80 | (rle_cnt - 1);uart_save_in_buf_and_send(&rle_cnt, 1, 100, 0);uart_save_in_buf_and_send(&pre_data, 1, 100, 0);}}/* 为了提高USB上传效率,我们原本一直是"凑够一定量的数据后才发送",* 现在都到最后一步了,剩下的数据全部flush、上传*/uart_save_in_buf_and_send(NULL, 0, 100, 1);
}

细节：“幕后工作”

已经实现：

1.USB上传缓存cnt清0（收尾工作）

 uart_save_in_buf_and_send(NULL, 0, 100, 1);static void uart_save_in_buf_and_send(uint8_t *datas, int len, int timeout, int flush)
{static uint8_t buf[64];static int32_t cnt = 0;for( int32_t i = 0; i < len; i++ ){buf[cnt++] = datas[i]; /* 先存入buf, 凑够63字节再发送 */if (cnt == 63){/* 对于USB传输,它内部发送64字节数据后还要发送一个零包* 所以我们只发送63字节以免再发送零包*/uart_send(buf, cnt, timeout);cnt = 0;}}/* 如果指定要"flush"(比如这是最后要发送的数据了), 则发送剩下的数据 */if (flush && cnt){uart_send(buf, cnt, timeout);cnt = 0;}
}

2.清除样本缓存（开幕工作）

在static void start (void)中已经实现：

//清空数据缓冲区位置和采样计数器。
g_cur_pos = 0;
g_cur_sample_cnt = 0;memset(g_rxcnt_buf, 0, sizeof(g_rxcnt_buf));//​清空计数缓冲区

至于其他大多采取覆盖的形式：

比如：（在上传时我们也是根据索引变量采取后进先出的形式）

uint8_t g_rxdata_buf[BUFFER_SIZE]; 

还有USB串口用到的环形缓冲区……

这么一来下面这段自以为是改进的代码就显得赘述了

​
case CMD_RESET://00
{reset_globals(); // 调用全局变量重置函数break;
}void reset_globals() {g_cur_pos = 0;g_cur_sample_cnt = 0;memset(g_rxdata_buf, 0, BUFFER_SIZE); // 可选：清空缓冲区memset(g_rxcnt_buf, 0, BUFFER_SIZE * sizeof(uint32_t));
}​

不得不惊叹到韦东山老师团队的厉害和大义！感谢他们为嵌入式人才培养做出的贡献！！！

04 到此，项目基本功能已经掌握！下一篇，我们来实现“单片机逻辑分析仪”的扩展功能。未完待续~

一首童年最燃的《再飞行》送给你