c# - 从 USB 串行端口读取时，SerialPort.BaseStream.ReadAsync 丢弃或扰乱字节

Question

编辑:我已经添加了发送代码和我得到的接收输出示例。

我正在从连接到嵌入式系统的 USB“虚拟”串行端口读取数据。我写了两种接收数据的方法，一种是同步的，一种是异步的。同步的工作，而异步的会丢失或扰乱一点传入的数据。我不知道为什么第二个失败了。

有效的方法 调用 SerialPort.Read 并将读取超时设置为零，并请求接收缓冲区中的所有内容。我检查返回值以查看实际读取了多少字节，然后将数据放入循环缓冲区以供其他地方使用。此方法由定时器中断调用，它可以完美地接收串行数据(通常以高于 1.6 Mbps 的速率且不会丢失数据)。但是，轮询计时器对我来说已经成为一个问题，我更愿意在其余代码中异步接收数据。

丢失数据的方法在串行端口 BaseStream 上等待 ReadAsync 并循环直到被取消。这种方法是有效的，但它经常无序地返回数据包的前导字节，相当频繁地丢失一个字节(大约每几千个数据字节一次)，并且偶尔会从数据包中丢失数百个连续字节。

这里可能存在两个完全不同的问题，因为丢失更大块的数据似乎与更高的数据速率和更重的系统事件相关。问题的这一特定部分可能是由于缓冲区溢出——也许是由于 USB 调度程序遇到延迟时 USB 握手失败——但我在这里展示的例子只有非常少量的数据在 50 传输毫秒间隔，系统空闲，除了这个测试程序。

我观察到 ReadAsync 经常在一次读取时返回数据包的第一个字节，而在下一次读取时返回数据包的其余部分。我相信这是预期的行为，因为 MSDN 说如果在一段时间内没有数据可用，ReadAsync 将返回它收到的第一个字节。但是，我认为这种行为与我的问题有某种关系，因为当一个字节丢失或乱序时，它“总是”第一个字节，其余的数据包正常到达。

当数据包很小时，数据包前面的“丢失”字节通常(但不总是)似乎在数据包剩余部分之后的下一次读取中被传递，这对我来说完全没有意义。对于较大的数据包，这种情况偶尔会发生，但更常见的是，当数据包很大时，第一个字节就会丢失。

我已经进行了广泛的搜索，并阅读了我能找到的关于这个主题的所有 SO 问题。我发现其他人似乎有类似的问题(例如: SerialPort.BaseStream.ReadAsync missing the first byte )，但没有人有任何可接受的甚至合理的解决方案。

Ben Voigt ( http://www.sparxeng.com/blog/software/must-use-net-system-io-ports-serialport ) 和其他似乎真的了解串行通信的人已经推荐在基流上使用 ReadAsync，而且微软的 IOT 团队也推荐了这种方法，所以我不得不相信这种方法应该有效。

问题一:为什么我的代码在 USB 串行 BaseStream 上使用 ReadAsync 丢弃/加扰字节？

问题2:如果 ReadAsync 不能以正确的顺序可靠地返回所有接收到的字节，我是否可以在传统的 SerialPort.Read 周围放置一个异步包装器并等待/循环它，这样我就不必从计时器进行轮询？我读到这是一个坏主意，但我也读到 SerialPort 类在内部是异步的，所以也许这样就可以了？或者我唯一的选择是把它放在一个工作线程上，让它花所有的时间等待？

我的代码如下。我已经设置了serialPort1.ReadTimeout = 0;和 serialPort1.BaseStream.ReadTimeout = 0; (我已经尝试过其他持续时间)。
我已经启用了 RTS 和 DTR，并且由于这是一个 USB_serial 端口，它应该在内部处理握手，当我同步读取时它肯定会这样做——但是当我从 BaseStream 读取时可能不是这样？

这是第一种方法:

// this method works perfectly when called from a timer.
// SerialPort.ReadTimeout must be set to zero for this to work.
// It handles incoming bytes reliably at rates above 1.6 Mbps.

private void ReadSerialBytes()
{
    if (!serialPort1.IsOpen)
        return;

    if (serialPort1.BytesToRead > 0)
    {
        var receiveBuffer = new byte[serialPort1.ReadBufferSize];

        var numBytesRead = serialPort1.Read(receiveBuffer, 0, serialPort1.ReadBufferSize);
        var bytesReceived = new byte[numBytesRead];
        Array.Copy(receiveBuffer, bytesReceived, numBytesRead);

        // Here is where I audit the received data.
        // the NewSerialData event handler displays the 
        // data received (as hex bytes) and writes it to disk.
        RaiseEventNewSerialData(bytesReceived);

        // serialInBuffer is a "thread-safe" global circular byte buffer 
        // The data in serialInBuffer matches the data audited above.
        serialInBuffer.Enqueue(bytesReceived, 0, numBytesRead);
    }
}

这是第二种方法， 已编辑 删除@Lucero 指出的尾递归。现在我不会用完内存 :) 但原来的数据丢失问题，当然，仍然存在。

// This method is called once after the serial port is opened,
// and it repeats until cancelled. 
// 
// This code "works" but periodically drops the first byte of a packet, 
// or returns that byte in the wrong order.
// It occasionally drops several hundred bytes in a row.
private async Task ReadSerialBytesAsync(CancellationToken ct)
{
    while((!ct.IsCancellationRequested) && (serialPort1.IsOpen))
    {
        try
        {
            serialPort1.BaseStream.ReadTimeout = 0;
            var bytesToRead = 1024;
            var receiveBuffer = new byte[bytesToRead];
            var numBytesRead = await serialPort1.BaseStream.ReadAsync(receiveBuffer, 0, bytesToRead, ct);

            var bytesReceived = new byte[numBytesRead];
            Array.Copy(receiveBuffer, bytesReceived, numBytesRead);

             // Here is where I audit the received data.
             // the NewSerialData event handler displays the 
             // data received (as hex bytes) and writes it to disk.
             RaiseEventNewSerialData(bytesReceived);

            // serialInBuffer is a "thread-safe" global circular byte buffer 
            // The data in serialInBuffer matches the data audited above.
            serialInBuffer.Enqueue(receiveBuffer, 0, numBytesRead);
        }
        catch (Exception ex)
        {
            MessageBox.Show("Error in ReadSerialBytesAsync: " + ex.ToString());
            throw;
        }
    }
}

这是来自发送系统的 C++ 代码(带有 ARM 芯片的 teensy 3.2)。
它发送从 00 到 FF 的字节序列，每 50 毫秒重复一次。

 void SendTestData()
 {
    byte asyncTestBuffer[256] = { 0 };
    for (int i = 0; i < 256; i++)
        asyncTestBuffer[i] = i;

    while(true)
    {
    Serial.write(asyncTestBuffer, sizeof(asyncTestBuffer));
    delay(50);
    }
}

传统的同步 SerialPort.Read(从定时器调用)完全按照预期接收每个块，没有数据丢失。它看起来像这样，一遍又一遍:

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32 msec => Received 256 bytes 
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现在这是 SerialPort.BaseStream.ReadAsync 接收的内容。在另一个版本中，我附加了一个终端数据包序列号，以证明当我看到一个零后跟另一个零时，它们之间并没有真正丢失整个数据包。数据包序列号都存在，因此前导字节确实似乎丢失或无序传送。

7 msec => Received 255 bytes 
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5 msec => Received 1 bytes 
00
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55 msec => Received 1 bytes 
00
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4 msec => Received 255 bytes 
0102030405060708090A0B0C0D0E0F101112131415161718191A1B1C1D1E1F202122232425262728292A2B2C2D2E2F303132333435363738393A3B3C3D3E3F404142434445464748494A4B4C4D4E4F505152535455565758595A5B5C5D5E5F606162636465666768696A6B6C6D6E6F707172737475767778797A7B7C7D7E7F808182838485868788898A8B8C8D8E8F909192939495969798999A9B9C9D9E9FA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9AAABACADAEAFB0B1B2B3B4B5B6B7B8B9BABBBCBDBEBFC0C1C2C3C4C5C6C7C8C9CACBCCCDCECFD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9DADBDCDDDEDFE0E1E2E3E4E5E6E7E8E9EAEBECEDEEEFF0F1F2F3F4F5F6F7F8F9FAFBFCFDFEFF
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42 msec => Received 1 bytes 
00
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5 msec => Received 255 bytes 
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68 msec => Received 1 bytes 
00
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7 msec => Received 255 bytes 
0102030405060708090A0B0C0D0E0F101112131415161718191A1B1C1D1E1F202122232425262728292A2B2C2D2E2F303132333435363738393A3B3C3D3E3F404142434445464748494A4B4C4D4E4F505152535455565758595A5B5C5D5E5F606162636465666768696A6B6C6D6E6F707172737475767778797A7B7C7D7E7F808182838485868788898A8B8C8D8E8F909192939495969798999A9B9C9D9E9FA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9AAABACADAEAFB0B1B2B3B4B5B6B7B8B9BABBBCBDBEBFC0C1C2C3C4C5C6C7C8C9CACBCCCDCECFD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9DADBDCDDDEDFE0E1E2E3E4E5E6E7E8E9EAEBECEDEEEFF0F1F2F3F4F5F6F7F8F9FAFBFCFDFEFF
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31 msec => Received 255 bytes 
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9 msec => Received 1 bytes 
00
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33 msec => Received 1 bytes 
00
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10 msec => Received 255 bytes 
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55 msec => Received 255 bytes 
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12 msec => Received 1 bytes 
00
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12 msec => Received 1 bytes 
00
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15 msec => Received 255 bytes 
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68 msec => Received 255 bytes 
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16 msec => Received 1 bytes 
00
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14 msec => Received 256 bytes 
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我花了几个星期来追踪这个问题，它最初表现为正在开发的产品的奇怪行为。我很确定我一定做错了什么，但我看不到它，此时我非常渴望任何想法或建议!

Answer 1

在逐步完成 .Net SerialPort 类的反编译源代码后，我终于想出了一个答案(仅安装了 resharper Rclick on SerialPort->Navigate->Decompiled Sources)。

答案 #1:字节乱序问题是由于我程序中的一个错误造成的。我已经取消并重新启动了 readAsync 循环，但是我使用了错误的取消 token ，因此有两个循环副本都在等待来自串行端口的 readAsync。两者都发出中断以返回接收到的数据，但当然这是一个竞争条件，即谁先到达那里。

答案 #2:请注意我使用同步读取方法的方式:我不使用 Received 事件(它不能正常工作)或检查要读取的字节数(这是不可靠的)或类似的东西。我只是将超时设置为零，尝试使用大缓冲区读取，并检查我返回了多少字节。

当以这种方式调用时，同步 SerialPort.Read 首先尝试满足来自内部缓存 [1024] 的接收数据字节的读取请求。如果它仍然没有足够的数据来满足请求，那么它会使用完全相同的缓冲区、(调整后的)偏移量和(调整后的)计数针对底层 BaseStream 发出 ReadAsync 请求。

底线:按照我的使用方式使用时，同步 SerialPort.Read 方法的行为与 SerialPort.ReadAsync 完全相同。我的结论是，在同步方法周围放置一个异步包装器可能没问题，然后等待它。但是，我现在不需要这样做，因为我可以可靠地从基流中读取数据。

更新:我现在使用包含循环的任务从我的串行端口可靠地接收超过 3Mbps 的数据，该循环持续等待 SerialPort.Basestream.ReadAsync 并将结果添加到循环缓冲区中。