干貨?|?STM32串口DMA收發(fā)機(jī)制

1 前言

直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（Direct Memory Access），簡(jiǎn)稱DMA。DMA是CPU一個(gè)用于數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間到另一地址空間“搬運(yùn)”（拷貝）的組件，數(shù)據(jù)拷貝過(guò)程不需CPU干預(yù)，數(shù)據(jù)拷貝結(jié)束則通知CPU處理。因此，大量數(shù)據(jù)拷貝時(shí)，使用DMA可以釋放CPU資源。DMA數(shù)據(jù)拷貝過(guò)程，典型的有：

• 內(nèi)存—>內(nèi)存，內(nèi)存間拷貝
• 外設(shè)—>內(nèi)存，如uart、spi、i2c等總線接收數(shù)據(jù)過(guò)程
• 內(nèi)存—>外設(shè)，如uart、spi、i2c等總線發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程

2 串口有必要使用DMA嗎

串口(uart)是一種低速的串行異步通信，適用于低速通信場(chǎng)景，通常使用的波特率小于或等于115200bps。對(duì)于小于或者等于115200bps波特率的，而且數(shù)據(jù)量不大的通信場(chǎng)景，一般沒(méi)必要使用DMA，或者說(shuō)使用DMA并未能充分發(fā)揮出DMA的作用。

對(duì)于數(shù)量大，或者波特率提高時(shí)，必須使用DMA以釋放CPU資源，因?yàn)楦卟ㄌ芈士赡軒?lái)這樣的問(wèn)題：

• 對(duì)于發(fā)送，使用循環(huán)發(fā)送，可能阻塞線程，需要消耗大量CPU資源“搬運(yùn)”數(shù)據(jù)，浪費(fèi)CPU
• 對(duì)于發(fā)送，使用中斷發(fā)送，不會(huì)阻塞線程，但需浪費(fèi)大量中斷資源，CPU頻繁響應(yīng)中斷；以115200bps波特率，1s傳輸11520字節(jié)，大約69us需響應(yīng)一次中斷，如波特率再提高，將消耗更多CPU資源
• 對(duì)于接收，如仍采用傳統(tǒng)的中斷模式接收，同樣會(huì)因?yàn)轭l繁中斷導(dǎo)致消耗大量CPU資源

因此，高波特率場(chǎng)景下，串口非常有必要使用DMA。

3 實(shí)現(xiàn)方式

4 STM32串口使用DMA

關(guān)于STM32串口使用DMA，不乏一些開(kāi)發(fā)板例程及網(wǎng)絡(luò)上一些博主的使用教程。使用步驟、流程、配置基本大同小異，正確性也沒(méi)什么毛病，但都是一些基本的Demo例子，作為學(xué)習(xí)過(guò)程沒(méi)問(wèn)題；實(shí)際項(xiàng)目使用缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性，數(shù)據(jù)量大時(shí)可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)異常。

測(cè)試平臺(tái):

• STM32F030C8T6
• UART1/UART2
• DMA1 Channel2—Channel5
• ST標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)
• 主頻48MHz（外部12MHz晶振）

5 串口DMA接收

5.1 基本流程

5.2 相關(guān)配置

關(guān)鍵步驟

【1】初始化串口

【2】使能串口DMA接收模式，使能串口空閑中斷

【3】配置DMA參數(shù)，使能DMA通道buf半滿（傳輸一半數(shù)據(jù)）中斷、buf溢滿（傳輸數(shù)據(jù)完成）中斷

為什么需要使用DMA 通道buf半滿中斷？

很多串口DMA模式接收的教程、例子，基本是使用了“空間中斷” “DMA傳輸完成中斷”來(lái)接收數(shù)據(jù)。實(shí)質(zhì)上這是存在風(fēng)險(xiǎn)的，當(dāng)DMA傳輸數(shù)據(jù)完成，CPU介入開(kāi)始拷貝DMA通道buf數(shù)據(jù)，如果此時(shí)串口繼續(xù)有數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)，DMA繼續(xù)搬運(yùn)數(shù)據(jù)到buf，就有可能將數(shù)據(jù)覆蓋，因?yàn)镈MA數(shù)據(jù)搬運(yùn)是不受CPU控制的，即使你關(guān)閉了CPU中斷。

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龇ㄐ枰鲭pbuf，CPU和DMA各自一塊內(nèi)存交替訪問(wèn)，即是"乒乓緩存” ，處理流程步驟應(yīng)該是這樣：

【1】第一步，DMA先將數(shù)據(jù)搬運(yùn)到buf1，搬運(yùn)完成通知CPU來(lái)拷貝buf1數(shù)據(jù) 【2】第二步，DMA將數(shù)據(jù)搬運(yùn)到buf2，與CPU拷貝buf1數(shù)據(jù)不會(huì)沖突 【3】第三步，buf2數(shù)據(jù)搬運(yùn)完成，通知CPU來(lái)拷貝buf2數(shù)據(jù) 【4】執(zhí)行完第三步，DMA返回執(zhí)行第一步，一直循環(huán)

STM32F0系列DMA不支持雙緩存（以具體型號(hào)為準(zhǔn)）機(jī)制，但提供了一個(gè)buf"半滿中斷"，即是數(shù)據(jù)搬運(yùn)到buf大小的一半時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)?；谶@個(gè)機(jī)制，我們可以實(shí)現(xiàn)雙緩存功能，只需將buf空間開(kāi)辟大一點(diǎn)即可。

【1】第一步，DMA將數(shù)據(jù)搬運(yùn)完成buf的前一半時(shí)，產(chǎn)生“半滿中斷”，CPU來(lái)拷貝buf前半部分?jǐn)?shù)據(jù) 【2】第二步，DMA繼續(xù)將數(shù)據(jù)搬運(yùn)到buf的后半部分，與CPU拷貝buf前半部數(shù)據(jù)不會(huì)沖突 【3】第三步，buf后半部分?jǐn)?shù)據(jù)搬運(yùn)完成，觸發(fā)“溢滿中斷”，CPU來(lái)拷貝buf后半部分?jǐn)?shù)據(jù) 【4】執(zhí)行完第三步，DMA返回執(zhí)行第一步，一直循環(huán)

UART2 DMA模式接收配置代碼如下，與其他外設(shè)使用DMA的配置基本一致，留意關(guān)鍵配置：

• 串口接收，DMA通道工作模式設(shè)為連續(xù)模式
• 使能DMA通道接收buf半滿中斷、溢滿（傳輸完成）中斷
• 啟動(dòng)DMA通道前清空相關(guān)狀態(tài)標(biāo)識(shí)，防止首次傳輸錯(cuò)亂數(shù)據(jù)

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)