一个严谨的STM32串口DMA发送&接收（1.5Mbps波特率）机制

发表于 2021-7-7 10:00

1 前言
直接存储器访问（Direct Memory Access），简称DMA。DMA是CPU一个用于数据从一个地址空间到另一地址空间“搬运”（拷贝）的组件，数据拷贝过程不需CPU干预，数据拷贝结束则通知CPU处理。因此，大量数据拷贝时，使用DMA可以释放CPU资源。DMA数据拷贝过程，典型的有：

内存—>内存，内存间拷贝
外设—>内存，如uart、spi、i2c等总线接收数据过程
内存—>外设，如uart、spi、i2c等总线发送数据过程

发表于 2021-7-7 10:02

2 串口有必要使用DMA吗
串口(uart)是一种低速的串行异步通信，适用于低速通信场景，通常使用的波特率小于或等于115200bps。对于小于或者等于115200bps波特率的，而且数据量不大的通信场景，一般没必要使用DMA，或者说使用DMA并未能充分发挥出DMA的作用。

对于数量大，或者波特率提高时，必须使用DMA以释放CPU资源，因为高波特率可能带来这样的问题：

对于发送，使用循环发送，可能阻塞线程，需要消耗大量CPU资源“搬运”数据，浪费CPU
对于发送，使用中断发送，不会阻塞线程，但需浪费大量中断资源，CPU频繁响应中断；以115200bps波特率，1s传输11520字节，大约69us需响应一次中断，如波特率再提高，将消耗更多CPU资源
对于接收，如仍采用传统的中断模式接收，同样会因为频繁中断导致消耗大量CPU资源

因此，高波特率场景下，串口非常有必要使用DMA。

发表于 2021-7-7 10:02

3 实现方式

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整体设计图

发表于 2021-7-7 10:04

4 STM32串口使用DMA
关于STM32串口使用DMA，不乏一些开发板例程及网络上一些博主的使用教程。使用步骤、流程、配置基本大同小异，正确性也没什么毛病，但都是一些基本的Demo例子，作为学习过程没问题；实际项目使用缺乏严谨性，数据量大时可能导致数据异常。

测试平台:

STM32F030C8T6
UART1/UART2
DMA1 Channel2—Channel5
ST标准库
主频48MHz（外部12MHz晶振）

发表于 2021-7-7 10:05

5 串口DMA接收5.1 基本流程

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串口接收流程图

发表于 2021-7-7 10:06

5.2 相关配置
关键步骤

【1】初始化串口

【2】使能串口DMA接收模式，使能串口空闲中断

【3】配置DMA参数，使能DMA通道buf半满（传输一半数据）中断、buf溢满（传输数据完成）中断

为什么需要使用DMA 通道buf半满中断？

很多串口DMA模式接收的教程、例子，基本是使用了“空间中断”+“DMA传输完成中断”来接收数据。实质上这是存在风险的，当DMA传输数据完成，CPU介入开始拷贝DMA通道buf数据，如果此时串口继续有数据进来，DMA继续搬运数据到buf，就有可能将数据覆盖，因为DMA数据搬运是不受CPU控制的，即使你关闭了CPU中断。

严谨的做法需要做双buf，CPU和DMA各自一块内存交替访问，即是"乒乓缓存” ，处理流程步骤应该是这样：

【1】第一步，DMA先将数据搬运到buf1，搬运完成通知CPU来拷贝buf1数据
【2】第二步，DMA将数据搬运到buf2，与CPU拷贝buf1数据不会冲突
【3】第三步，buf2数据搬运完成，通知CPU来拷贝buf2数据
【4】执行完第三步，DMA返回执行第一步，一直循环

双缓存DMA数据搬运过程

发表于 2021-7-7 10:08

STM32F0系列DMA不支持双缓存（以具体型号为准）机制，但提供了一个buf"半满中断"，即是数据搬运到buf大小的一半时，可以产生一个中断信号。基于这个机制，我们可以实现双缓存功能，只需将buf空间开辟大一点即可。

【1】第一步，DMA将数据搬运完成buf的前一半时，产生“半满中断”，CPU来拷贝buf前半部分数据
【2】第二步，DMA继续将数据搬运到buf的后半部分，与CPU拷贝buf前半部数据不会冲突
【3】第三步，buf后半部分数据搬运完成，触发“溢满中断”，CPU来拷贝buf后半部分数据
【4】执行完第三步，DMA返回执行第一步，一直循环

使用半满中断DMA数据搬运过程

UART2 DMA模式接收配置代码如下，与其他外设使用DMA的配置基本一致，留意关键配置：

串口接收，DMA通道工作模式设为连续模式
使能DMA通道接收buf半满中断、溢满（传输完成）中断
启动DMA通道前清空相关状态标识，防止首次传输错乱数据

发表于 2021-7-7 10:09

void bsp_uart2_dmarx_config(uint8_t *mem_addr, uint32_t mem_size)
{
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

DMA_DeInit(DMA1_Channel5);
DMA_Cmd(DMA1_Channel5, DISABLE);
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(USART2->RDR);/* UART2接收数据地址 */
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)mem_addr; /* 接收buf */
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; /* 传输方向:外设->内存 */
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = mem_size; /* 接收buf大小 */
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; /* 连续模式 */
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_VeryHigh;
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
DMA_Init(DMA1_Channel5, &DMA_InitStructure);
DMA_ITConfig(DMA1_Channel5, DMA_IT_TC|DMA_IT_HT|DMA_IT_TE, ENABLE);/* 使能DMA半满、溢满、错误中断 */
DMA_ClearFlag(DMA1_IT_TC5); /* 清除相关状态标识 */
DMA_ClearFlag(DMA1_IT_HT5);
DMA_Cmd(DMA1_Channel5, ENABLE);
}

DMA 错误中断“DMA_IT_TE”，一般用于前期调试使用，用于检查DMA出现错误的次数，发布软件可以不使能该中断。

发表于 2021-7-7 10:10

5.3 接收处理
基于上述描述机制，DMA方式接收串口数据，有三种中断场景需要CPU去将buf数据拷贝到fifo中，分别是：

DMA通道buf溢满（传输完成）场景
DMA通道buf半满场景
串口空闲中断场景
前两者场景，前面**已经描述。串口空闲中断指的是，数据传输完成后，串口监测到一段时间内没有数据进来，则触发产生的中断信号。

发表于 2021-7-7 10:11

5.3 .1 接收数据大小
数据传输过程是随机的，数据大小也是不定的，存在几类情况：

数据刚好是DMA接收buf的整数倍，这是理想的状态
数据量小于DMA接收buf或者小于接收buf的一半，此时会触发串口空闲中断

因此，我们需根据“DMA通道buf大小”、“DMA通道buf剩余空间大小”、“上一次接收的总数据大小”来计算当前接收的数据大小。

/* 获取DMA通道接收buf剩余空间大小 */
uint16_t DMA_GetCurrDataCounter(DMA_Channel_TypeDef* DMAy_Channelx);

DMA通道buf溢满场景计算

接收数据大小 = DMA通道buf大小 - 上一次接收的总数据大小

DMA通道buf溢满中断处理函数：

void uart_dmarx_done_isr(uint8_t uart_id)
{
uint16_t recv_size;

recv_size = s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf_size - s_uart_dev[uart_id].last_dmarx_size;

fifo_write(&s_uart_dev[uart_id].rx_fifo,
(const uint8_t *)&(s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf[s_uart_dev[uart_id].last_dmarx_size]), recv_size);

s_uart_dev[uart_id].last_dmarx_size = 0;
}

发表于 2021-7-7 10:13

DMA通道buf半满场景计算

接收数据大小 = DMA通道接收总数据大小 - 上一次接收的总数据大小
DMA通道接收总数据大小 = DMA通道buf大小 - DMA通道buf剩余空间大小

DMA通道buf半满中断处理函数：

void uart_dmarx_half_done_isr(uint8_t uart_id)
{
    uint16_t recv_total_size;
    uint16_t recv_size;

if(uart_id == 0)
{
      recv_total_size = s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf_size - bsp_uart1_get_dmarx_buf_remain_size();
}
else if (uart_id == 1)
{
recv_total_size = s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf_size - bsp_uart2_get_dmarx_buf_remain_size();
}
recv_size = recv_total_size - s_uart_dev[uart_id].last_dmarx_size;

fifo_write(&s_uart_dev[uart_id].rx_fifo,
   (const uint8_t *)&(s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf[s_uart_dev[uart_id].last_dmarx_size]), recv_size);
s_uart_dev[uart_id].last_dmarx_size = recv_total_size;/* 记录接收总数据大小 */
}

发表于 2021-7-7 10:15

串口空闲中断场景计算

串口空闲中断场景的接收数据计算与“DMA通道buf半满场景”计算方式是一样的。

串口空闲中断处理函数：

void uart_dmarx_idle_isr(uint8_t uart_id)
{
    uint16_t recv_total_size;
    uint16_t recv_size;

if(uart_id == 0)
{
      recv_total_size = s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf_size - bsp_uart1_get_dmarx_buf_remain_size();
}
else if (uart_id == 1)
{
recv_total_size = s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf_size - bsp_uart2_get_dmarx_buf_remain_size();
}
recv_size = recv_total_size - s_uart_dev[uart_id].last_dmarx_size;
s_UartTxRxCount[uart_id*2+1] += recv_size;
fifo_write(&s_uart_dev[uart_id].rx_fifo,
   (const uint8_t *)&(s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf[s_uart_dev[uart_id].last_dmarx_size]), recv_size);
s_uart_dev[uart_id].last_dmarx_size = recv_total_size;
}

注：
串口空闲中断处理函数，除了将数据拷贝到串口接收fifo中，还可以增加特殊处理，如作为串口数据传输完成标识、不定长度数据处理等等。

发表于 2021-7-7 10:15

5.3.2 接收数据偏移地址
将有效数据拷贝到fifo中，除了需知道有效数据大小外，还需知道数据存储于DMA 接收buf的偏移地址。有效数据偏移地址只需记录上一次接收的总大小即,可，在DMA通道buf全满中断处理函数将该值清零，因为下一次数据将从buf的开头存储。

在DMA通道buf溢满中断处理函数中将数据偏移地址清零：

void uart_dmarx_done_isr(uint8_t uart_id)
{
/* todo */
s_uart_dev[uart_id].last_dmarx_size = 0;
}

发表于 2021-7-7 10:16

5.4 应用读取串口数据方法

经过前面的处理步骤，已将串口数据拷贝至接收fifo，应用程序任务只需从fifo获取数据进行处理。前提是，处理效率必须大于DAM接收搬运数据的效率，否则导致数据丢失或者被覆盖处理。

发表于 2021-7-7 10:18

6 串口DMA发送6.1 基本流程

串口发送流程图

发表于 2021-7-7 10:18

6.2 相关配置
关键步骤

【1】初始化串口

【2】使能串口DMA发送模式

【3】配置DMA发送通道，这一步无需在初始化设置，有数据需要发送时才配置使能DMA发送通道

UART2 DMA模式发送配置代码如下，与其他外设使用DMA的配置基本一致，留意关键配置：

串口发送是，DMA通道工作模式设为单次模式（正常模式），每次需要发送数据时重新配置DMA
使能DMA通道传输完成中断，利用该中断信息处理一些必要的任务，如清空发送状态、启动下一次传输
启动DMA通道前清空相关状态标识，防止首次传输错乱数据
void bsp_uart2_dmatx_config(uint8_t *mem_addr, uint32_t mem_size)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

DMA_DeInit(DMA1_Channel4);
DMA_Cmd(DMA1_Channel4, DISABLE);
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(USART2->TDR);/* UART2发送数据地址 */
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)mem_addr; /* 发送数据buf */
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; /* 传输方向:内存->外设 */
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = mem_size; /* 发送数据buf大小 */
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; /* 单次模式 */
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
DMA_Init(DMA1_Channel4, &DMA_InitStructure);
DMA_ITConfig(DMA1_Channel4, DMA_IT_TC|DMA_IT_TE, ENABLE); /* 使能传输完成中断、错误中断 */
DMA_ClearFlag(DMA1_IT_TC4); /* 清除发送完成标识 */
DMA_Cmd(DMA1_Channel4, ENABLE); /* 启动DMA发送 */

发表于 2021-7-7 10:19

6.3 发送处理
串口待发送数据存于发送fifo中，发送处理函数需要做的的任务就是循环查询发送fifo是否存在数据，如存在则将该数据拷贝到DMA发送buf中，然后启动DMA传输。前提是需要等待上一次DMA传输完毕，即是DMA接收到DMA传输完成中断信号"DMA_IT_TC"。

串口发送处理函数：

void uart_poll_dma_tx(uint8_t uart_id)
{
    uint16_t size = 0;

if (0x01 == s_uart_dev[uart_id].status)
{
      return;
}
size = fifo_read(&s_uart_dev[uart_id].tx_fifo, s_uart_dev[uart_id].dmatx_buf,
   s_uart_dev[uart_id].dmatx_buf_size);
if (size != 0)
{
      s_UartTxRxCount[uart_id*2+0] += size;
      if (uart_id == 0)
{
         s_uart_dev[uart_id].status = 0x01; /* DMA发送状态 */
      bsp_uart1_dmatx_config(s_uart_dev[uart_id].dmatx_buf, size);
}
else if (uart_id == 1)
{
         s_uart_dev[uart_id].status = 0x01; /* DMA发送状态,必须在使能DMA传输前置位，否则有可能DMA已经传输并进入中断 */
bsp_uart2_dmatx_config(s_uart_dev[uart_id].dmatx_buf, size);
}
}
}

注意发送状态标识，必须先置为“发送状态”，然后启动DMA 传输。如果步骤反过来，在传输数据量少时，DMA传输时间短，“DMA_IT_TC”中断可能比“发送状态标识置位”先执行，导致程序误判DMA一直处理发送状态（发送标识无法被清除）。

注：
关于DMA发送数据启动函数，有些博客**描述只需改变DMA发送buf的大小即可；经过测试发现，该方法在发送数据量较小时可行，数据量大后，导致发送失败，而且不会触发DMA发送完成中断。因此，可靠办法是：每次启动DMA发送，重新配置DMA通道所有参数。该步骤只是配置寄存器过程，实质上不会占用很多CPU执行时间。

发表于 2021-7-7 10:20

DMA传输完成中断处理函数：

void uart_dmatx_done_isr(uint8_t uart_id)
{
s_uart_dev[uart_id].status = 0; /* 清空DMA发送状态标识 */
}

上述串口发送处理函数可以在几种情况调用：

主线程任务调用，前提是线程不能被其他任务阻塞，否则导致fifo溢出

void thread(void)
{
uart_poll_dma_tx(DEV_UART1);
uart_poll_dma_tx(DEV_UART2);
}

定时器中断中调用

void TIMx_IRQHandler(void)
{
uart_poll_dma_tx(DEV_UART1);
uart_poll_dma_tx(DEV_UART2);
}

DMA通道传输完成中断中调用

void DMA1_Channel4_5_IRQHandler(void)
{
if(DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC4))
{
UartDmaSendDoneIsr(UART_2);
DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC4);
uart_poll_dma_tx(DEV_UART2);
}
}

每次拷贝多少数据量到DMA发送buf：

关于这个问题，与具体应用场景有关，遵循的原则就是：只要发送fifo的数据量大于等于DMA发送buf的大小，就应该填满DMA发送buf，然后启动DMA传输，这样才能充分发挥会DMA性能。因此，需兼顾每次DMA传输的效率和串口数据流实时性，参考着几类实现：

周期查询发送fifo数据，启动DMA传输，充分利用DMA发送效率，但可能降低串口数据流实时性
实时查询发送fifo数据，加上超时处理，理想的方法
在DMA传输完成中断中处理，保证实时连续数据流

发表于 2021-7-7 10:21

7串口设备

7.1 数据结构

/* 串口设备数据结构 */
typedef struct
{
uint8_t status; /* 发送状态 */
_fifo_t tx_fifo; /* 发送fifo */
_fifo_t rx_fifo; /* 接收fifo */
uint8_t *dmarx_buf; /* dma接收缓存 */
uint16_t dmarx_buf_size;/* dma接收缓存大小*/
uint8_t *dmatx_buf; /* dma发送缓存 */
uint16_t dmatx_buf_size;/* dma发送缓存大小 */
uint16_t last_dmarx_size;/* dma上一次接收数据大小 */
}uart_device_t;

发表于 2021-7-7 10:22

7.2 对外接口

/* 串口注册初始化函数 */
void uart_device_init(uint8_t uart_id)
{
    if (uart_id == 1)
{
/* 配置串口2收发fifo */
fifo_register(&s_uart_dev[uart_id].tx_fifo, &s_uart2_tx_buf[0],
                  sizeof(s_uart2_tx_buf), fifo_lock, fifo_unlock);
fifo_register(&s_uart_dev[uart_id].rx_fifo, &s_uart2_rx_buf[0],
                  sizeof(s_uart2_rx_buf), fifo_lock, fifo_unlock);

/* 配置串口2 DMA收发buf */
s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf = &s_uart2_dmarx_buf[0];
s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf_size = sizeof(s_uart2_dmarx_buf);
s_uart_dev[uart_id].dmatx_buf = &s_uart2_dmatx_buf[0];
s_uart_dev[uart_id].dmatx_buf_size = sizeof(s_uart2_dmatx_buf);
bsp_uart2_dmarx_config(s_uart_dev[uart_id].dmarx_buf,
   sizeof(s_uart2_dmarx_buf));
s_uart_dev[uart_id].status  = 0;
}
}

/* 串口发送函数 */
uint16_t uart_write(uint8_t uart_id, const uint8_t *buf, uint16_t size)
{
return fifo_write(&s_uart_dev[uart_id].tx_fifo, buf, size);
}

/* 串口读取函数 */
uint16_t uart_read(uint8_t uart_id, uint8_t *buf, uint16_t size)
{
return fifo_read(&s_uart_dev[uart_id].rx_fifo, buf, size);
}

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