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1 前言

前面講解過(guò)什么是DMA? STM32如何配置DMA？，今天和大家分享DMA實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。

直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（Direct Memory Access），簡(jiǎn)稱(chēng)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(mǎn)（傳輸一半數(shù)據(jù)）中斷、buf溢滿(mǎn)（傳輸數(shù)據(jù)完成）中斷

為什么需要使用DMA 通道buf半滿(mǎn)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(mǎn)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)。基于這個(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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)中斷、溢滿(mǎn)（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)

DMA 錯(cuò)誤中斷“DMA_IT_TE”，一般用于前期調(diào)試使用，用于檢查DMA出現(xiàn)錯(cuò)誤的次數(shù)，發(fā)布軟件可以不使能該中斷。

5.3 接收處理

基于上述描述機(jī)制，DMA方式接收串口數(shù)據(jù)，有三種中斷場(chǎng)景需要CPU去將buf數(shù)據(jù)拷貝到fifo中，分別是：

• DMA通道buf溢滿(mǎn)（傳輸完成）場(chǎng)景
• DMA通道buf半滿(mǎn)場(chǎng)景
• 串口空閑中斷場(chǎng)景

前兩者場(chǎng)景，前面文章已經(jīng)描述。串口空閑中斷指的是，數(shù)據(jù)傳輸完成后，串口監(jiān)測(cè)到一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)，則觸發(fā)產(chǎn)生的中斷信號(hào)。

5.3 .1 接收數(shù)據(jù)大小

數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程是隨機(jī)的，數(shù)據(jù)大小也是不定的，存在幾類(lèi)情況：

• 數(shù)據(jù)剛好是DMA接收buf的整數(shù)倍，這是理想的狀態(tài)
• 數(shù)據(jù)量小于DMA接收buf或者小于接收buf的一半，此時(shí)會(huì)觸發(fā)串口空閑中斷

因此，我們需根據(jù)“DMA通道buf大小”、“DMA通道buf剩余空間大小”、“上一次接收的總數(shù)據(jù)大小”來(lái)計(jì)算當(dāng)前接收的數(shù)據(jù)大小。

/* 獲取DMA通道接收buf剩余空間大小 */
uint16_t DMA_GetCurrDataCounter(DMA_Channel_TypeDef* DMAy_Channelx);

DMA通道buf溢滿(mǎn)場(chǎng)景計(jì)算

DMA通道buf溢滿(mǎn)中斷處理函數(shù)：

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;
}

DMA通道buf半滿(mǎn)場(chǎng)景計(jì)算

DMA通道buf半滿(mǎn)中斷處理函數(shù)：

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;/* 記錄接收總數(shù)據(jù)大小 */
}

串口空閑中斷場(chǎng)景計(jì)算

串口空閑中斷場(chǎng)景的接收數(shù)據(jù)計(jì)算與“DMA通道buf半滿(mǎn)場(chǎng)景”計(jì)算方式是一樣的。

串口空閑中斷處理函數(shù)：

注：串口空閑中斷處理函數(shù)，除了將數(shù)據(jù)拷貝到串口接收f(shuō)ifo中，還可以增加特殊處理，如作為串口數(shù)據(jù)傳輸完成標(biāo)識(shí)、不定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)處理等等。

5.3.2 接收數(shù)據(jù)偏移地址

將有效數(shù)據(jù)拷貝到fifo中，除了需知道有效數(shù)據(jù)大小外，還需知道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于DMA 接收buf的偏移地址。有效數(shù)據(jù)偏移地址只需記錄上一次接收的總大小即,可，在DMA通道buf全滿(mǎn)中斷處理函數(shù)將該值清零，因?yàn)橄乱淮螖?shù)據(jù)將從buf的開(kāi)頭存儲(chǔ)。

在DMA通道buf溢滿(mǎn)中斷處理函數(shù)中將數(shù)據(jù)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;
}

5.4 應(yīng)用讀取串口數(shù)據(jù)方法

經(jīng)過(guò)前面的處理步驟，已將串口數(shù)據(jù)拷貝至接收f(shuō)ifo，應(yīng)用程序任務(wù)只需從fifo獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。前提是，處理效率必須大于DAM接收搬運(yùn)數(shù)據(jù)的效率，否則導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或者被覆蓋處理。

6 串口DMA發(fā)送

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發(fā)送模式

【3】配置DMA發(fā)送通道，這一步無(wú)需在初始化設(shè)置，有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)才配置使能DMA發(fā)送通道

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

• 串口發(fā)送是，DMA通道工作模式設(shè)為單次模式（正常模式），每次需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)重新配置DMA
• 使能DMA通道傳輸完成中斷，利用該中斷信息處理一些必要的任務(wù)，如清空發(fā)送狀態(tài)、啟動(dòng)下一次傳輸
• 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)

5.3 發(fā)送處理

串口待發(fā)送數(shù)據(jù)存于發(fā)送fifo中，發(fā)送處理函數(shù)需要做的的任務(wù)就是循環(huán)查詢(xún)發(fā)送fifo是否存在數(shù)據(jù)，如存在則將該數(shù)據(jù)拷貝到DMA發(fā)送buf中，然后啟動(dòng)DMA傳輸。前提是需要等待上一次DMA傳輸完畢，即是DMA接收到DMA傳輸完成中斷信號(hào)'DMA_IT_TC'。

串口發(fā)送處理函數(shù)：

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發(fā)送狀態(tài) */
     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發(fā)送狀態(tài),必須在使能DMA傳輸前置位，否則有可能DMA已經(jīng)傳輸并進(jìn)入中斷 */
   bsp_uart2_dmatx_config(s_uart_dev[uart_id].dmatx_buf, size);
  }
 }
}

• 注意發(fā)送狀態(tài)標(biāo)識(shí)，必須先置為“發(fā)送狀態(tài)”，然后啟動(dòng)DMA 傳輸。如果步驟反過(guò)來(lái)，在傳輸數(shù)據(jù)量少時(shí)，DMA傳輸時(shí)間短，“DMA_IT_TC”中斷可能比“發(fā)送狀態(tài)標(biāo)識(shí)置位”先執(zhí)行，導(dǎo)致程序誤判DMA一直處理發(fā)送狀態(tài)（發(fā)送標(biāo)識(shí)無(wú)法被清除）。

注：關(guān)于DMA發(fā)送數(shù)據(jù)啟動(dòng)函數(shù)，有些博客文章描述只需改變DMA發(fā)送buf的大小即可；經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該方法在發(fā)送數(shù)據(jù)量較小時(shí)可行，數(shù)據(jù)量大后，導(dǎo)致發(fā)送失敗，而且不會(huì)觸發(fā)DMA發(fā)送完成中斷。因此，可靠辦法是：每次啟動(dòng)DMA發(fā)送，重新配置DMA通道所有參數(shù)。該步驟只是配置寄存器過(guò)程，實(shí)質(zhì)上不會(huì)占用很多CPU執(zhí)行時(shí)間。

DMA傳輸完成中斷處理函數(shù)：

上述串口發(fā)送處理函數(shù)可以在幾種情況調(diào)用：

• 主線程任務(wù)調(diào)用，前提是線程不能被其他任務(wù)阻塞，否則導(dǎo)致fifo溢出

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

• 定時(shí)器中斷中調(diào)用

• DMA通道傳輸完成中斷中調(diào)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);
 }
}

每次拷貝多少數(shù)據(jù)量到DMA發(fā)送buf：

關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，與具體應(yīng)用場(chǎng)景有關(guān)，遵循的原則就是：只要發(fā)送fifo的數(shù)據(jù)量大于等于DMA發(fā)送buf的大小，就應(yīng)該填滿(mǎn)DMA發(fā)送buf，然后啟動(dòng)DMA傳輸，這樣才能充分發(fā)揮會(huì)DMA性能。因此，需兼顧每次DMA傳輸?shù)男屎痛跀?shù)據(jù)流實(shí)時(shí)性，參考著幾類(lèi)實(shí)現(xiàn)：

• 周期查詢(xún)發(fā)送fifo數(shù)據(jù)，啟動(dòng)DMA傳輸，充分利用DMA發(fā)送效率，但可能降低串口數(shù)據(jù)流實(shí)時(shí)性
• 實(shí)時(shí)查詢(xún)發(fā)送fifo數(shù)據(jù)，加上超時(shí)處理，理想的方法
• 在DMA傳輸完成中斷中處理，保證實(shí)時(shí)連續(xù)數(shù)據(jù)流

6 串口設(shè)備

6.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

6.2 對(duì)外接口

/* 串口注冊(cè)初始化函數(shù) */
void uart_device_init(uint8_t uart_id)
{
   if (uart_id == 1)
 {
  /* 配置串口2收發(fā)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收發(fā)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;
 }
}

/* 串口發(fā)送函數(shù) */
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);
}

/* 串口讀取函數(shù) */
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);
}

7 相關(guān)文章

依賴(lài)的fifo參考該文章：

【1】?通用環(huán)形緩沖區(qū)模塊

8 完整源碼

代碼倉(cāng)庫(kù)：https://github.com/Prry/stm32f0-uart-dma

串口&DMA底層配置：

壓力測(cè)試：

• 1.5Mbps波特率，串口助手每毫秒發(fā)送1k字節(jié)數(shù)據(jù)，stm32f0 DMA接收數(shù)據(jù)，再通過(guò)DMA發(fā)送回串口助手，毫無(wú)壓力。
• 1.5Mbps波特率，可傳輸大文件測(cè)試，將接收數(shù)據(jù)保存為文件，與源文件比較。
• 串口高波特率測(cè)試需要USB轉(zhuǎn)TLL工具及串口助手都支持才可行，推薦CP2102、FT232芯片的USB轉(zhuǎn)TTL工具。