USART+DMA+循环队列接收不定长数据

只看该作者 · 2023-9-30 19:41

本文将介绍基于串口+DMA循环模式+循环队列的接收过程。其最大的优点是每次接收完成后不需要禁止MDA通道然后重新配置接收长度。并且还支持接收不定长数据。

当本机串口检测到IDLE中断时，只是说明对方已经结束了一串连续的串口帧发送过程，而不一定说明对方已经完成了一包应用层数据的发送。首先串口通信本身没有规定串口帧之间的间隔时间，可以没有间隔，或者可以有任意长间隔。其次，对方在发送一包应用层数据的时候，可能在发送过程中被中断打断，导致发送产生间隔，从而会让本机产生IDLE中断。

在DMA接收方式下，IDLE中断用于告诉应用程序，对方已经完整发送了一包数据，或者，对方只发送了一包数据的一部分。因此，在IDLE中断发生时，应该检查收到数据的完整性，只有收到了完整的数据，才去分析处理这个数据。最好的做法是在应用层设计一个串口通信协议，使用帧头和帧尾以及校验来协助检查数据的完整性和合法性。

我们使用IDLE中断而不是RBNE中断，是因为在接收一包应用层数据时，发生IDLE中断的次数远低于RXNE中断，这样接收起来就更高效，在最好的情况下，接收一包数据只会发生一次IDLE中断。而且在对方彻底完成一包数据的发送后，一定会产生IDLE中断。最重要的原因是，我们要接收不定长数据，则不能使用DMA的传输完成中断。

也可以使用接收超时中断替换IDLE中断。如果你的串口支持接收超时中断（RT）则更好，因为接收超时中断可以设置接收超时时间阈值，而IDLE的超时时间固定为一个串口帧的时间，RT比IDLE更加灵活。

我们也不需要使用DMA的接收完成中断。整个接收过程只需要使用IDLE中断（或者接收超时中断）。

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DMA的循环模式
关于DMA循环模式

使用循环模式的好处是，当指定长度的串口数据通过DMA接收完成后，DMA硬件自动重新设置传输长度，同时开启下一个接收过程，当接收缓冲区满了后，会自动从接收缓冲区数组的开始存储。接收过程不会停止，因为DMA通道总是处于使能状态。否则，我们需要在每次传输完成后，通过代码禁止DMA通道，配置下一次的传输长度，最后使能通道，而在这个过程，需要CPU的介入，最严重的问题是，可能错过串口数据的接收导致丢数据。

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循环队列缓冲区
循环队列就是将数组的首位在逻辑上连接起来，臆造成环形形态。

如下图所示，假设DMA接收缓冲区定义为字节数组DMA_buf，长度为6，用DMA_RX_BUF_SIZE表示。把接收缓冲区当做一个循环队列来使用：定义2个循环队列头指针和尾指针数组索引变量front和rear，用于指示当前接收的串口数据在DMA接收缓冲数组中的起始和结束位置。

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front初始化为0，且在处理收到的串口数据包时更新：每次取一个队列字节数据后，更新为：front = (front+1)%DMA_RX_BUF_SIZE。软件从缓冲区取数据实现了出队操作。

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每次IDLE中断时，代表收到一包数据，在中断中可以计算出rear的值，rear=DMA_RX_BUF_SIZE - DMA通道的剩余传输长度CNT寄存器的值。DMA硬件将串口数据放到缓冲区实现了入队操作。

只看该作者 · 2023-9-30 19:42

有了front和rear，就可以计算出本次接收到的数据的长度：len = (DMA_RX_BUF_SIZE - front + rear) % DMA_RX_BUF_SIZE 。同时需要注意，采用这种计算接收长度的算法时，能正确识别的最大长度为缓冲区长度-1，因为可以发现，当接收长度刚好等于DMA_RX_BUF_SIZE 时，计算出的长度为0。所以如果你的应用层最大的数据报文长度为MAX_LEN，则应该将接收缓冲区数组长度定义为DMA_RX_BUF_SIZE = MAX_LEN+1。另外，由于数据处理和接收都是在同一个缓冲区进行的，所以如果存在处理不及时的情况（处理慢接收快）则新接收的数据可能会覆盖正在处理的数据导致错乱，因此在这种情况下建议将接收缓冲区扩大为2倍，这样接收缓冲数组长度为DMA_RX_BUF_SIZE = (MAX_LEN+1)*2。

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图（a）：现在接收到了3个字符(A,B,C)

图（b）：现在接收到了2个字符(h，g)

图（c）：现在接收到了3个字符(T，N，Z)

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代码实现：GD32F303的USART0+keil

复制

#include "gd32f30x.h"

#include <stdio.h>

#include <stdarg.h>

#include <string.h>

 

 

void RCU_config(void)

{

        rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);

        rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOB);

        rcu_periph_clock_enable(RCU_USART0);

        rcu_periph_clock_enable(RCU_DMA0);

}

 

 

void NVIC_config(void)

{

        nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE4_SUB0);

        nvic_irq_enable(USART0_IRQn,1,0);

}

 

 

void GPIO_config(void)

{

        //PA9 USART0_Tx 

    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_AF_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_9);

    //PA10 USART0_Rx 

    gpio_init(GPIOA, GPIO_MODE_IPU, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_10);

}

 

#define USART0_DMA_TXBUF_SIZE  100

#define USART0_DMA_RXBUF_SIZE  100

uint8_t USART0_DMA_txbuf[USART0_DMA_TXBUF_SIZE];

uint8_t USART0_DMA_rxbuf[USART0_DMA_RXBUF_SIZE];

 

void USART0_config(void)

{

        usart_deinit(USART0);

    usart_baudrate_set(USART0, 115200U);

        

        //--接收超时设置

        usart_receiver_timeout_threshold_config(USART0,100);

        usart_interrupt_enable(USART0,USART_INT_RT);

        usart_receiver_timeout_enable(USART0);

        

        //=====配置USART使用的DMA通道======

        //USART0_TX:DMA0_CH3

        dma_parameter_struct dma_init_struct;  //DMA初始化结构体

        dma_deinit(DMA0, DMA_CH3);        //复位DMA通道为默认配置

        dma_init_struct.direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPHERAL;   //传输方向

        dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)USART0_DMA_txbuf; //存储器基地址

        dma_init_struct.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE; //增量式存储器地址生成模式

        dma_init_struct.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_8BIT;    //存储器单个数据宽度

        dma_init_struct.number = 0;                             //传输长度

        dma_init_struct.periph_addr = (uint32_t)&(USART_DATA(USART0)); //外设基地址(寄存器地址)

        dma_init_struct.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE; //增量式外设地址生成模式

        dma_init_struct.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_8BIT; //外设单个数据宽度

        dma_init_struct.priority = DMA_PRIORITY_ULTRA_HIGH;       //通道的优先级

        dma_init(DMA0, DMA_CH3, &dma_init_struct);               //进行配置

        dma_circulation_disable(DMA0, DMA_CH3);          //配置循环传输模式(单次模式和循环模式)

        //dma_interrupt_enable(DMA0,DMA_CH3,DMA_INT_FTF);  //DMA中断使能

        //dma_channel_enable(DMA0, DMA_CH3);               //使能DMA通道

        

        

        //USART0_RX:DMA0_CH4

        dma_deinit(DMA0, DMA_CH4);        //复位DMA通道为默认配置

        dma_init_struct.direction = DMA_PERIPHERAL_TO_MEMORY;   //传输方向

        dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)USART0_DMA_rxbuf; //存储器基地址

        dma_init_struct.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE; //增量式存储器地址生成模式

        dma_init_struct.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_8BIT;    //存储器单个数据宽度

        dma_init_struct.number = USART0_DMA_RXBUF_SIZE;          //传输长度

        dma_init_struct.periph_addr = (uint32_t)&(USART_DATA(USART0)); //外设基地址(寄存器地址)

        dma_init_struct.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE; //增量式外设地址生成模式

        dma_init_struct.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_8BIT; //外设单个数据宽度

        dma_init_struct.priority = DMA_PRIORITY_ULTRA_HIGH;       //通道的优先级

        dma_init(DMA0, DMA_CH4, &dma_init_struct);               //进行配置

        dma_circulation_enable(DMA0, DMA_CH4);          //配置循环传输模式(单次模式和循环模式)

        //dma_interrupt_enable(DMA0,DMA_CH4,DMA_INT_FTF);  //DMA中断使能

        dma_channel_enable(DMA0, DMA_CH4);               //使能DMA通道

        

        //=====使能串口的DMA发送和接收=====

        usart_dma_transmit_config(USART0, USART_DENT_ENABLE); //使能串口的DMA发送

        usart_dma_receive_config(USART0,USART_DENR_ENABLE);  //使能串口的DMA接收

        

        

    usart_receive_config(USART0, USART_RECEIVE_ENABLE);

    usart_transmit_config(USART0, USART_TRANSMIT_ENABLE);

    usart_enable(USART0);

        

}

 

 

void USART0_printf(const char*format , ...)

{

        int tx_len;

        va_list args;

        

        //如果dma传输通道是使能的，且传输没完成

        while((DMA_CHCTL(DMA0,DMA_CH3)&0x01) &&  (!dma_flag_get(DMA0,DMA_CH3,DMA_FLAG_FTF)));  //等待DMA传输完成

        dma_flag_clear(DMA0,DMA_CH3,DMA_FLAG_FTF);       //清除传输完成标志

        

        va_start(args,format);

        tx_len = vsnprintf((char*)USART0_DMA_txbuf,USART0_DMA_TXBUF_SIZE,format,args);

        va_end(args);

        

        if(tx_len>0)

        {

                dma_channel_disable(DMA0,DMA_CH3);     //关闭DMA通道，这样才能设置传输长度

                dma_transfer_number_config(DMA0,DMA_CH3,tx_len); //设置本次DMA传输长度

                dma_channel_enable(DMA0,DMA_CH3);     //使能USART0_TX使用的DMA通道，开始DMA传输                

        }

}

 

 

volatile uint32_t USART0_get_msg=0;

volatile uint32_t USART0_rear=0;    

volatile uint32_t USART0_front=0;   

 

int main(void)

{

    RCU_config();

        NVIC_config();

        GPIO_config();

        USART0_config();

        

        

    while(1)

    {

                if(USART0_get_msg)

                {

                        USART0_get_msg=0;

                        

                        uint32_t len = (USART0_DMA_RXBUF_SIZE - USART0_front + USART0_rear)%USART0_DMA_RXBUF_SIZE;//本次消息长度

                        USART0_printf("\nlen=%u:",len);

                        //打印出收到的字符

                        for(uint32_t i=0;i<len;i++)

                        {

                                USART0_printf("[%u]%c ",i,USART0_DMA_rxbuf[USART0_front]);  //处理第i个字节

                                USART0_front = (USART0_front+1)%USART0_DMA_RXBUF_SIZE;  //更新front指针

                        }

                        

                }

                

    }

}

 

 

void USART0_IRQHandler(void)

{

        //接收超时中断（也可以使用IDLE中断实现）

        if(usart_interrupt_flag_get(USART0,USART_INT_FLAG_RT))

        {

                //清除中断标志

                usart_interrupt_flag_clear(USART0,USART_INT_FLAG_RT);

                //计算rear的值

                USART0_rear = USART0_DMA_RXBUF_SIZE - dma_transfer_number_get(DMA0,DMA_CH4);

                //通知main收到了一包数据

                USART0_get_msg=1;

        }

 

}