hal库串口dma卡死_STM32CubeMX之串口封装详解

1万 · 2021-8-4 20:18

一.串口实例
我们都知道，其实单片机最后其实都是对串口相关的寄存器进行操作，那么我们想扒一扒它的流程，必然要先知道串口相关的寄存器是哪些，因此查阅 STM32F4xx中文参考手册，我们可以在第711页找到以下相关寄存器：

状态寄存器

数据寄存器

波特率寄存器

控制寄存器1

控制寄存器2

控制寄存器3

保护时间和预分频器寄存器

1万 · 2021-8-4 20:19

这些就是操作串口所需要的寄存器，那么我们应该怎么和 HAL库的东西对应起来，去HAL库中找找，我们就会在 stm32f407xx.h 的头文件中找到以下结构体

/**
  * @brief Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter
  */

typedef struct
{
  __IO uint32_t SR;       /*!< USART Status register,                Address offset: 0x00 */
  __IO uint32_t DR;       /*!< USART Data register,                   Address offset: 0x04 */
  __IO uint32_t BRR;    /*!< USART Baud rate register,             Address offset: 0x08 */
  __IO uint32_t CR1;    /*!< USART Control register 1,             Address offset: 0x0C */
  __IO uint32_t CR2;    /*!< USART Control register 2,             Address offset: 0x10 */
  __IO uint32_t CR3;    /*!< USART Control register 3,             Address offset: 0x14 */
  __IO uint32_t GTPR;    /*!< USART Guard time and prescaler register, Address offset: 0x18 */
} USART_TypeDef;

1万 · 2021-8-4 20:19

你会发现，寄存器和结构体中的变量名一一对应，那就是它了，我们再深入研究以下，为什么每个声明都是用uint32_t 的类型？我们还可以在 STM32F4xx中文参考手册找到以下这张图，更直观的解释原因

从上图可以看出，每个寄存器都是之间的地址偏移都是 4个字节，也就是 32 bit ，所以是用 uint32_t ,使每个寄存器占用 4 个字节，符合芯片文档。

1万 · 2021-8-4 20:20

可是不知道你发现了没有，这边都没有说串口在内存的实际地址，有些小伙伴可能也不知道，就算有地址要怎么操作，这里我们稍微复习一下C 语言中的常量指针的知识，下面给出一小段代码

*(uint32_t *)0x40011000 = 0xFF;
这段代码的含义，就是将 0x40011000 这个值转为指向一个32 bit 的内存空间的指针，* 取地址符号就是使得0xFF存入该 32 bit的空间内。

因此我们应该要找到我们所使用的串口1在内存的地址，说了这么多遍内存，我们就来看看 STM32 的内存到底长什么样子，我们可以在对应的芯片手册上找到其内存映射图，当前芯片是 STM32F407，因此我们在芯片手册中会看到

从上图可以看到 STM32F407 的内存映射图，内存被分成了很多块，而串口是属于外设，因此现在只要关心从下往上数第三块内存块就行了，但是目前我们也只能从中看到有 AHB1，AHB2，APB1，APB2，用标准库的小伙伴，应该对这些词很熟悉了，就是经常要对其进行时钟初始化的外设总线。

1万 · 2021-8-4 20:20

但是我们还是没有看到我们想要的地址，因此我们还是要借助一张时钟树的图，来判断串口1 在哪一条总线之下。

1万 · 2021-8-4 20:21

结合时钟树和内存映射图，我们可以看到，串口1的地址在0x40010000 到 0x4001 4BFF ，但是还不是真正我们想要的

最终，你会在 STM32F4xx中文参考手册 中发现一张存储的映射表，串口1的地址范围就写在那里

这个地址范围就是我们要对其进行串口操作的实际地址，但是我们的操作实际就用到了7个寄存器

1万 · 2021-8-4 20:22

为了更形象的说明，我们用以下代码，将前面提到的寄存器的实际的地址打印出来：

打印结果如下：

huart1.Instance->SR 40011000
huart1.Instance->DR 40011004
huart1.Instance->BRR 40011008
huart1.Instance->CR1 4001100c
huart1.Instance->CR2 40011010
huart1.Instance->CR3 40011014
huart1.Instance->CTPR 40011018
现在我们就很明白了，串口1的基地址（40011000）+ 上面所说的地址偏移量 = 每个寄存器的实际地址，

1万 · 2021-8-4 20:22

接下来我们再看看，这个基地址是怎么在 HAL 库中用上的。我们从上面的分析中知道，串口1其实是在外设总线上的，并且是 APB2 外设总线上，所以还是在stm32f407.h 的头文件中找，我们可以找到以下宏定义：

外设基地址

APB2基地址

串口1基地址

[url=]Removeformat[/url]

串口1用 USART_TypeDef 结构体封装

这样我们就可以算出，串口1的基地址为：

c USART1_BASE = 0x40000000 + 0x00010000 + 0x1000 USART1_BASE = 0x40011000 //正如我们上述文档所看到的一样

将这个值通过 USART_TypeDef 结构体指针的强制转换，就可以用结构体的方式来对寄存器进行存取值了

（升华一下下，其实数组的首地址也可以用结构体指针进行强制转换，只要结果符合你的预期就可以了，比如这个技巧可以用在网络传输的时候）

1万 · 2021-8-4 20:23

现在来看看 USART1 用在哪里了，我们可以在 usart.c 找到以下代码

我们可以看到它用在了串口1初始化的函数(MX_USART1_UART_Init )里面了，也终于看到了我们这个标题要说的实例( huart1 )了

接下来我们看看这个实例的结构体( UART_HandleTypeDef )长什么样子

/**
  * @brief  UART handle Structure definition
  */
typedef struct __UART_HandleTypeDef
{
  USART_TypeDef             *Instance;       /*!< UART registers base address       */
  UART_InitTypeDef             Init;          /*!< UART communication parameters    */
  uint8_t                      *pTxBuffPtr;    /*!< Pointer to UART Tx transfer Buffer */
  uint16_t                   TxXferSize;    /*!< UART Tx Transfer size             */
  __IO uint16_t                TxXferCount;    /*!< UART Tx Transfer Counter          */
  uint8_t                      *pRxBuffPtr;    /*!< Pointer to UART Rx transfer Buffer */
  uint16_t                   RxXferSize;    /*!< UART Rx Transfer size             */
  __IO uint16_t                RxXferCount;    /*!< UART Rx Transfer Counter          */
  DMA_HandleTypeDef          *hdmatx;       /*!< UART Tx DMA Handle parameters    */
  DMA_HandleTypeDef          *hdmarx;       /*!< UART Rx DMA Handle parameters    */
  HAL_LockTypeDef             Lock;          /*!< Locking object                   */
  __IO HAL_UART_StateTypeDef gState;
  __IO HAL_UART_StateTypeDef RxState;
  __IO uint32_t                ErrorCode;       /*!< UART Error code                   */

#if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)
  void (* TxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);       /*!< UART Tx Half Complete Callback       */
  void (* TxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);          /*!< UART Tx Complete Callback          */
  void (* RxHalfCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);       /*!< UART Rx Half Complete Callback       */
  void (* RxCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Rx Complete Callback */
  void (* ErrorCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);  /*!< UART Error Callback  */
void (* AbortCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort CompleCallback    */
  void (* AbortTransmitCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Abort Transmit Complete Callback */
  void (* AbortReceiveCpltCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);  /*!< UART Abort Receive Complete Callback  */
  void (* WakeupCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart);  /*!< UART Wakeup Callback */
  void (* MspInitCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Msp Init callback*/
  void (* MspDeInitCallback)(struct __UART_HandleTypeDef *huart); /*!< UART Msp DeInitcallback*/
#endif  /* USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS */

} UART_HandleTypeDef;

我们可以看到在这个结构体里看到，它需要串口基地址，串口初始化所需要的值，以及数据接收和发送所需要的指针，和当前状态标志位。

1万 · 2021-8-4 20:24

二. 串口实例初始化

我们可以在串口初始化的函数(MX_USART1_UART_Init )中，找到我们自己在STM32CubeMX 的图形界面中为串口配置的值，如下

huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
这不是真正的初始化（因为还没操作到我们之前所说的寄存器）,它只是用来记录需要初始化的值

而真正的初始化这些参数，是在 HAL_UART_Init 中的 UART_SetConfig 函数中，如下代码所示

/**
  * @brief  Configures the UART peripheral.
  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *             the configuration information for the specified UART module.
  * @retval None
  */
static void UART_SetConfig(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  uint32_t tmpreg;
  uint32_t pclk;

  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_UART_BAUDRATE(huart->Init.BaudRate));
  assert_param(IS_UART_STOPBITS(huart->Init.StopBits));
  assert_param(IS_UART_PARITY(huart->Init.Parity));
  assert_param(IS_UART_MODE(huart->Init.Mode));

  /*-------------------------- USART CR2 Configuration -----------------------*/
  /* Configure the UART Stop Bits: Set STOP[13:12] bits
   according to huart->Init.StopBits value */
  MODIFY_REG(huart->Instance->CR2, USART_CR2_STOP, huart->Init.StopBits);

  /*-------------------------- USART CR1 Configuration -----------------------*/
  /* Configure the UART Word Length, Parity and mode:
   Set the M bits according to huart->Init.WordLength value
   Set PCE and PS bits according to huart->Init.Parity value
   Set TE and RE bits according to huart->Init.Mode value
   Set OVER8 bit according to huart->Init.OverSampling value */

  tmpreg = (uint32_t)huart->Init.WordLength | huart->Init.Parity | huart->Init.Mode | huart->Init.OverSampling;
  MODIFY_REG(huart->Instance->CR1,
         (uint32_t)(USART_CR1_M | USART_CR1_PCE | USART_CR1_PS | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_OVER8),
         tmpreg);

  /*-------------------------- USART CR3 Configuration -----------------------*/
  /* Configure the UART HFC: Set CTSE and RTSE bits according to huart->Init.HwFlowCtl value */
  MODIFY_REG(huart->Instance->CR3, (USART_CR3_RTSE | USART_CR3_CTSE), huart->Init.HwFlowCtl);

  /* Check the Over Sampling */
  if (huart->Init.OverSampling == UART_OVERSAMPLING_8)
  {
/*-------------------------- USART BRR Configuration ---------------------*/
#if defined(USART6) && defined(UART9) && defined(UART10)
if ((huart->Instance == USART1) || (huart->Instance == USART6) || (huart->Instance == UART9) || (huart->Instance == UART10))
{
   pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();
   huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING8(pclk, huart->Init.BaudRate);
}
#elif defined(USART6)
if ((huart->Instance == USART1) || (huart->Instance == USART6))
{
   pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();
   huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING8(pclk, huart->Init.BaudRate);
}
#else
if (huart->Instance == USART1)
{
   pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();
   huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING8(pclk, huart->Init.BaudRate);
}
#endif /* USART6 */
else
{
   pclk = HAL_RCC_GetPCLK1Freq();
   huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING8(pclk, huart->Init.BaudRate);
}
  }
  else
  {
/*-------------------------- USART BRR Configuration ---------------------*/
#if defined(USART6) && defined(UART9) && defined(UART10)
if ((huart->Instance == USART1) || (huart->Instance == USART6) || (huart->Instance == UART9) || (huart->Instance == UART10))
{
   pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();
   huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING16(pclk, huart->Init.BaudRate);
}
#elif defined(USART6)
if ((huart->Instance == USART1) || (huart->Instance == USART6))
{
   pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();
   huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING16(pclk, huart->Init.BaudRate);
}
#else
if (huart->Instance == USART1)
{
   pclk = HAL_RCC_GetPCLK2Freq();
   huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING16(pclk, huart->Init.BaudRate);
}
#endif /* USART6 */
else
{
   pclk = HAL_RCC_GetPCLK1Freq();
   huart->Instance->BRR = UART_BRR_SAMPLING16(pclk, huart->Init.BaudRate);
}
  }
}

/**
  * @}
  */
它真正操作到我们所说那些串口相关的寄存器(CR1, CR2, CR3, BRR)的配置，这里没看到（SR，DR），因为它在数据的发送和接收时用到了。

1万 · 2021-8-4 20:24

三. 串口数据的发送（阻塞模式）
接下来就是对数据发送进行说明，先放出函数

/**
  * @brief  Sends an amount of data in blocking mode.
  * @NOTE When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M1-M0 = 01),
  *       the sent data is handled as a set of u16. In this case, Size must indicate the number
  *       of u16 provided through pData.
  * @param  huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *             the configuration information for the specified UART module.
  * @param  pData Pointer to data buffer (u8 or u16 data elements).
  * @param  Size  Amount of data elements (u8 or u16) to be sent
  * @param  Timeout Timeout duration
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
{
  uint16_t *tmp;
  uint32_t tickstart = 0U;

  /* Check that a Tx process is not already ongoing */
  if (huart->gState == HAL_UART_STATE_READY)
  {
if ((pData == NULL) || (Size == 0U))
{
   return  HAL_ERROR;
}

/* Process Locked */
__HAL_LOCK(huart);

huart->ErrorCode = HAL_UART_ERROR_NONE;
huart->gState = HAL_UART_STATE_BUSY_TX;

/* Init tickstart for timeout managment */
tickstart = HAL_GetTick();

huart->TxXferSize = Size;
huart->TxXferCount = Size;

/* Process Unlocked */
__HAL_UNLOCK(huart);

while (huart->TxXferCount > 0U)
{
   huart->TxXferCount--;
   if (huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_9B)
   {
      if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_TXE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)
      {
      return HAL_TIMEOUT;
      }
      tmp = (uint16_t *) pData;
      huart->Instance->DR = (*tmp & (uint16_t)0x01FF);
      if (huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE)
      {
      pData += 2U;
      }
      else
      {
      pData += 1U;
      }
   }
   else
   {
      if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_TXE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)
      {
      return HAL_TIMEOUT;
      }
      huart->Instance->DR = (*pData++ & (uint8_t)0xFF);
   }
}

if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_TC, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)
{
   return HAL_TIMEOUT;
}

/* At end of Tx process, restore huart->gState to Ready */
huart->gState = HAL_UART_STATE_READY;

return HAL_OK;
  }
  else
  {
return HAL_BUSY;
  }
}

进来该函数检查当前串口的状态，若处于准备状态，将串口状态设置为 huart->gState = HAL_UART_STATE_BUSY_TX; 这个其实是为了对串口做保护，防止同时使用串口，导致数据发送错误
huart->TxXferCount = Size这变量记录当前还需要发送的数据个数，在 while 中不断进行判断，如果需要发送数据就通过下面函数查询 SR 寄存器中的状态，超过指定时间(Timeout )就是发送失败了，返回超时。

c if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_TXE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK) { return HAL_TIMEOUT; } //查询 UART_FLAG_TXE 标志位

如果没有超时，就通过下面代码进行发送，pData 指针指向我们想要发送的数据的首地址
c huart->Instance->DR = (*pData++ & (uint8_t)0xFF);

总结：

该函数就是一直在查询是否是发送状态，如果可以发送就发送，不能发送，就等到Timeout 结束，返回超时

1万 · 2021-8-4 20:25

四. 串口数据接收
接下来就是对数据接收进行说明，再放出函数

/**
  * @brief  Receives an amount of data in blocking mode.
  * @note When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M1-M0 = 01),
  *       the received data is handled as a set of u16. In this case, Size must indicate the number
  *       of u16 available through pData.
  * @param  huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *             the configuration information for the specified UART module.
  * @param  pData Pointer to data buffer (u8 or u16 data elements).
  * @param  Size  Amount of data elements (u8 or u16) to be received.
  * @param  Timeout Timeout duration
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size, uint32_t Timeout)
{
  uint16_t *tmp;
  uint32_t tickstart = 0U;

  /* Check that a Rx process is not already ongoing */
  if (huart->RxState == HAL_UART_STATE_READY)
  {
if ((pData == NULL) || (Size == 0U))
{
   return  HAL_ERROR;
}

/* Process Locked */
__HAL_LOCK(huart);

huart->ErrorCode = HAL_UART_ERROR_NONE;
huart->RxState = HAL_UART_STATE_BUSY_RX;

/* Init tickstart for timeout managment */
tickstart = HAL_GetTick();

huart->RxXferSize = Size;
huart->RxXferCount = Size;

/* Process Unlocked */
__HAL_UNLOCK(huart);

/* Check the remain data to be received */
while (huart->RxXferCount > 0U)
{
   huart->RxXferCount--;
   if (huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_9B)
   {
      if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_RXNE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)
      {
      return HAL_TIMEOUT;
      }
      tmp = (uint16_t *) pData;
      if (huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE)
      {
      *tmp = (uint16_t)(huart->Instance->DR & (uint16_t)0x01FF);
      pData += 2U;
      }
      else
      {
      *tmp = (uint16_t)(huart->Instance->DR & (uint16_t)0x00FF);
      pData += 1U;
      }

   }
   else
   {
      if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_RXNE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK)
      {
      return HAL_TIMEOUT;
      }
      if (huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE)
      {
      *pData++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x00FF);
      }
      else
      {
      *pData++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x007F);
      }

   }
}

/* At end of Rx process, restore huart->RxState to Ready */
huart->RxState = HAL_UART_STATE_READY;

return HAL_OK;
  }
  else
  {
return HAL_BUSY;
  }
}

进来该函数检查当前串口的状态，若处于准备状态，将串口状态设置为 huart->gState = HAL_UART_STATE_BUSY_RX; 这也是防止同时使用串口，导致数据接收错误
huart->TxXferCount = Size这变量记录当前还需要接收的数据个数，在 while 中不断进行判断，如果需要接收数据就通过下面函数查询 SR 寄存器中的状态，超过指定时间(Timeout )就是接收失败了，返回超时。

c if (UART_WaitOnFlagUntilTimeout(huart, UART_FLAG_RXNE, RESET, tickstart, Timeout) != HAL_OK) { return HAL_TIMEOUT; } //查询 UART_FLAG_RXNE 标志位

如果没有超时，就通过下面代码进行数据接收，pData 指针指向我们想要缓存数据的首地址（一般为数组首地址），将 DR 中的数据读取出来。

c *pData++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x00FF);

总结：

该函数就是一直在查询是否是接收状态，如果可以接收就接收，不能接收，就等到Timeout 结束，返回超时，值得注意的是这里如果没有接收到足够的数据也会返回超时，比如你要接收10个，如果只接收到了 9个它也会返回超时，可以通过计算获取到底接收到几个。

当接收超时时，计算接收到的个数 = huart1.RxXferSize - huart1.RxXferCount - 1