代码收藏家 STM32使用HAL库DMA空闲中断实现环形缓冲区串口数据收发详解
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前言
过往一直在用标准库进行开发，最近手头上有一批不用的板子，一看MCU是STM32F4系列的（以前玩的都还是STM32F1），莫名产生了“踏上新时代的船”的想法，直接下载STM32CubeIDE，使用HAL库开发来调通这些板子。我第一步调试的就是几乎不管什么应用场景都会涉及到的串口，又因为看到好几篇使用串口DMA的文章，决定使用以前没用过的DMA+空闲中断来进行串口接收数据。
第一次写博客，没想到来写前言时已经过万字了。之所以花那么多时间来表述这些学习成果，是因为学习过程中浏览到很多其他网友（其中不少是嵌入式初学者）调试DMA和空闲中断时遇到各种各样的问题，而他们在借鉴的文章中留言这些问题往往很难得到博主及时回应。希望不管是初学者还是有一定经验的开发者，都能从这篇文章中获得自己想要的东西。抛砖引玉，欢迎大家在评论区留言交流！
一、DMA是什么？
在传统的计算机系统中，外设设备需要通过CPU来控制数据的传输。当外设设备需要读取或写入数据时，需要向CPU发出请求，CPU则负责处理这些请求和数据传输的操作。这种方式会占用CPU的时间和资源，降低计算机系统的整体性能。
DMA控制器是一个特殊的硬件设备，它可以直接和系统内存进行数据传输，而不需要通过CPU来控制。在数据传输过程中，外设设备会向DMA控制器发送请求，告诉它需要读取或写入的数据的地址和大小。然后DMA控制器会直接从内存中读取或写入数据，完成数据传输的过程。这样就可以减少CPU的负担，提高数据传输的速度和效率。
二、相关配置
在HAL库的初始化中，DMA的全满中断默认使能，实际上半满中断也是默认使能的，感兴趣的可以看看函数
HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size) 的代码。
外设->内存 模式下，如果是直传模式，每当有数据被外设送入到FIFO，这些数据会直接从FIFO送到目标地址存储。如果是FIFO模式，FIFO中的数据会等待中断再被传输：
三、DMA工作模式
【1】直传模式（Direct Mode）
直传模式下的普通模式和循环模式，半满和全满中断都是按照用户配置的"接收数据长度"（也就是NDTR）正常产生。
【2】FIFO模式（FIFO Mode）
友情提醒
这部分的内容有点复杂，本人实际应用也没有使用上，只是学习时顺带研究调试了一下，本意只是大概搞明白和Direct Mode的基本区别，没想到疑惑一个接一个，很多地方用户手册也没说明白，最后居然记录了这么多！我将这部分的学习成果分享出来，希望其他使用FIFO Mode的朋友遇到问题了有个参考。不感兴趣的可以直接忽略这部分。
介绍
在两边数据流数据宽度不一致的情况下，需要设置FIFO Mode（或叫"突发模式"）。
当数据宽度不一致，一方的单份数据可能是另一方的多份数据，若使用直传模式每次都从FIFO中搬运同样长度的数据，一定会出现数据过载或欠载的情况。因此突发模式通过在FIFO中控制输出单份数据的长度，避免数据流出错。
每个数据流配置有一个4字即16字节的FIFO，在突发模式下，通过配置溢出阈值、数据宽度、节拍数来设置每次在FIFO中搬运的数据长度。
显而易见的是需要保证搬运数据时FIFO中的数据长度满足该次搬运的数据长度要求，否则数据流就可能出错，这意味着中断时FIFO中的数据长度需要是（Burst Size × Data Width）的倍数，不满足要求的配置是被禁止的：
ps:上图表格没有写出MBURST=single tranfer的情况（即每份数据都会被立即传输），因为这与直传模式一样，事实上直传模式下MBURST会由硬件强制置成single tranfer。
举个例子，若数据宽度设置为Byte，溢出阈值设置为3/4，那每当FIFO缓冲12字节数据就会产生中断请求搬运数据到目标地址：
下图非常好地描述了突发模式中FIFO对数据的存储和输送：
普通模式下
当NDTR变为0时或达到FIFO阈值时都会触发中断，半满中断和全满中断的标志位都有可能为1，下文会详细分析。无论哪种中断标志位组合都会导致禁止中断使能（非循环模式下，HAL库的中断处理函数中会把中断标志位为1的中断类型禁掉）：
/* Half Transfer Complete Interrupt management ******************************/
if ((tmpisr & (DMA_FLAG_HTIF0_4 << hdma->StreamIndex)) != RESET)
{...}
/* Disable the half transfer interrupt if the DMA mode is not CIRCULAR */
else
{...}
/* Transfer Complete Interrupt management ***********************************/
if ((tmpisr & (DMA_FLAG_TCIF0_4 << hdma->StreamIndex)) != RESET)
{...}
/* Disable the transfer complete interrupt if the DMA mode is not CIRCULAR */
else
{...}
此时需要重置NDTR，否则不会再产生任何中断。由于HAL库的中断处理函数会自动清除标志位，重新使能中断；我们只需在回调函数中再次调用HAL_UART_Receive_DMA()即可重置NDTR。
循环模式下
当NDTR变为0时不会触发中断，且NDTR会直接重置；由于处于循环模式，HAL库的中断处理函数不会禁止中断使能位。只有FIFO数据达到阈值时才可能会产生中断。
FIFO Mode具体分析
看到这里大家可能会有种违和感，FIFO Mode的中断理应是由每个Stream的FIFO配置的"FIFO阈值"决定的，而FIFO大小是固定16字节的，也就是说触发中断的阈值也是几个固定的数，这个过程中和用户自己设置的NDTR又有什么关联？
下面列几个FIFO Mode中循环模式下的实验现象，数据宽度均为Byte（黄色标注为发生中断）：
【1】FIFO Threshold：3/4 ，NDTR：14，此时FIFO阈值 = 12 > 7 = 1/2 NDTR：
| 接收数据长度 | TCIF(全满中断标志) | HTIF(半满中断标志) | NDTR |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 14 |
| 4 | 0 | 0 | 10 |
| 8 | 0 | 0 | 6 |
| 12 | 0 | 1 | 2 |
| 16 | 0 | 0 | 12 |
| 20 | 0 | 0 | 8 |
| 24 | 1 | 1 | 4 |
| … | |||
| 36 | 1 | 1 | 6 |
| … | |||
| 48 | 1 | 0 | 8 |
【2】FIFO Threshold：1/4 ，NDTR：6，此时FIFO阈值 = 4 > 3 = 1/2 NDTR：
| 接收数据长度 | TCIF(全满中断标志) | HTIF(半满中断标志) | NDTR |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 6 |
| 4 | 0 | 1 | 2 |
| 8 | 1 | 0 | 4 |
| 12 | 1 | 1 | 6 |
| 16 | 0 | 1 | 2 |
| 20 | 1 | 0 | 4 |
| 24 | 1 | 1 | 6 |
【3】FIFO Threshold：1/4 ，NDTR：10，此时FIFO阈值 = 4 < 5 = 1/2 NDTR：
| 接收数据长度 | TCIF(全满中断标志) | HTIF(半满中断标志) | NDTR |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 10 |
| 4 | 0 | 0 | 6 |
| 8 | 0 | 1 | 2 |
| 12 | 1 | 0 | 8 |
| 16 | 0 | 1 | 4 |
| 20 | 1 | 0 | 10 |
| 24 | 0 | 0 | 6 |
| 28 | 0 | 1 | 2 |
只看前两个实验现象的话，虽然确实触发中断了，但可能对两个标志位的值一头雾水；但对照第三个实验数据就一目了然了：实验三中接收数据长度为4和24时，即使长度达到FIFO阈值了却仍因为两个中断标志位都为0而无法触发中断。说明即使在FIFO Mode，两个中断标志位仍是由NDTR决定的！
FIFO Mode下，半满和全满标志位仍会因为NDTR变为初始值一半和0时“变化”，之所以带“引号”是因为标志位的值不会实时变化反映出来，即使到了半满和全满，Debug里看标志位也还是0。但当FIFO中数据达到FIFO阈值时，MCU会判断之前记录的半满和全满标志位是不是为1，如果有任意一个为1则触发中断。可以说，FIFO阈值是触发中断的第一条件，半满全满中断标志位是触发中断的第二条件。
四、DMA接收示例
下面以Direct Mode、循环模式下一个8字节大小的接收缓冲区示例，单片机串口接收完后打印缓冲区内的数据：
-
初始化后，NDTR=8：
-
接收到1字节数据后，NDTR=7：
-
再接收到2字节数据后，NDTR=5：
-
当缓冲区被写满后，即NDTR为0时会触发全满中断。普通模式下需手动清除标志位；循环模式下NDTR会自动重置（到0时自动重置回缓冲区长度），写指针回到缓冲区起始地址，且此时会触发中断回调函数：
-
再接收到数据时，将从缓冲区起始位置重新开始写入：
五. 使用HAL库自带的HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA()函数实现DMA+空闲中断（相当多坑）
DMA接收的好处不再赘述，缺点是DMA需要FIFO阈值达到设定值才能触发中断，如果接收的数据少于这个阈值，MCU就无法通知我们缓冲区的数据更新了。因此空闲中断就派上用场了：每当串口接收完一个字节数据后检测到下一个bit不为起始位，说明接收完连续的一帧数据了，就会产生空闲中断。
1.具体实现上与只使用DMA接收的区别
使用HAL库自带的HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA()函数，当DMA触发了半满中断或全满中断时，同样是会进入函数到HAL_DMA_IRQHandler()的 ，区别在于调用的回调函数不同了。以半满中断为例：
static void UART_DMARxHalfCplt(DMA_HandleTypeDef *hdma)
{
/* --- 无关的已省略 --- */
/* Check current reception Mode :
If Reception till IDLE event has been selected : use Rx Event callback */
if (huart->ReceptionType == HAL_UART_RECEPTION_TOIDLE)
{
/*Call legacy weak Rx Event callback*/
HAL_UARTEx_RxEventCallback(huart, huart->RxXferSize / 2U);
}
else
{
/*Call legacy weak Rx Half complete callback*/
HAL_UART_RxHalfCpltCallback(huart);
}
可以看到，若串口接收模式被设置成空闲中断接收，回调函数会调用HAL_UARTEx_RxEventCallback()而不是 HAL_UART_RxHalfCpltCallback()，这也是为什么接收到数据后不是进入之前DMA接收设置的回调函数的原因。
结论：使用HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA()，不管是半满中断、全满中断还是空闲中断，都是调用同一个回调函数HAL_UARTEx_RxEventCallback()。用户需要重写该函数，三种中断的处理都在里面进行。
2.普通模式（不感兴趣的可以忽略）
接下来看一下为什么普通模式下，接收完一次数据DMA就不工作了：
在普通模式下触发空闲中断时，HAL库串口中断函数中会自动进行配置（已把不相关的代码省去）：
void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart)
{
/* --- 无关的已省略 --- */
/* Check current reception Mode :
If Reception till IDLE event has been selected : */
if ((huart->ReceptionType == HAL_UART_RECEPTION_TOIDLE)
&& ((isrflags & USART_SR_IDLE) != 0U)
&& ((cr1its & USART_SR_IDLE) != 0U))
{
__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(huart);
/* Check if DMA mode is enabled in UART */
if (HAL_IS_BIT_SET(huart->Instance->CR3, USART_CR3_DMAR))
{
/* DMA mode enabled */
uint16_t nb_remaining_rx_data = (uint16_t) __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart->hdmarx);
if ((nb_remaining_rx_data > 0U) && (nb_remaining_rx_data < huart->RxXferSize))
{
/* In Normal mode, end DMA xfer and HAL UART Rx process*/
if (huart->hdmarx->Init.Mode != DMA_CIRCULAR)
{
/* Disable the DMA transfer for the receiver request by resetting the DMAR bit in the UART CR3 register */
ATOMIC_CLEAR_BIT(huart->Instance->CR3, USART_CR3_DMAR);
/* At end of Rx process, restore huart->RxState to Ready */
huart->ReceptionType = HAL_UART_RECEPTION_STANDARD;
ATOMIC_CLEAR_BIT(huart->Instance->CR1, USART_CR1_IDLEIE);
/* Last bytes received, so no need as the abort is immediate */
(void)HAL_DMA_Abort(huart->hdmarx);
}
/*Call legacy weak Rx Event callback*/
HAL_UARTEx_RxEventCallback(huart, (huart->RxXferSize - huart->RxXferCount));
}
}
}
} //end of function
需要关注的几个点：
- 首先判断RxEventType是否为
HAL_UART_RECEPTION_TOIDLE，且处理函数会自动清空IDLE标志； - DMAR置0导致了禁止DMA Mode的接收；
- ReceptionType从
HAL_UART_RECEPTION_TOIDLE变为了HAL_UART_RECEPTION_STANDARD，这会导致下次接收无法进入该段处理程序； - IDLEIE置0导致了空闲中断的失效；
HAL_DMA_Abort()禁止了DMA流。
这就是接收一次数据后不论DMA设置的Buffer有没有满（也就是NDTR不为0），DMA传输都会停止的原因：触发了串口空闲中断。前4点是从串口配置禁止，第5点是从DMA配置禁止。所以普通模式下使用空闲中断要留个心眼：空闲中断是会影响到DMA的配置的，此时DMA作用只是作为单次数据接收的缓冲区，每次接收完都会重置。
结论：普通模式下，使用HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA()，一旦进入过空闲中断就只能再一次调用HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA()来开启DMA和串口的对应配置。
3.循环模式
反过来说，循环模式下，空闲中断就和DMA的运作独立开来了。DMA配置的Memory可以看作一个环形缓冲区，里面的数据并不会因为空闲中断清空。当我们配置好后，就得到了一个会自动写入数据的环形缓冲区，接下来就是如何从里面读取数据了。
关于环形缓冲区的介绍可以看这篇文章：ring buffer，一篇文章讲透它，讲得非常通俗易懂。
实现思路
读数据的前提肯定是有新的数据写入。空闲中断会通知我们数据更新了，因此首当其冲的问题是如何获取新写入到缓冲区数据的长度。 循环模式跟普通模式不同，NDTR不会每次接收完都被重置，但传入HAL_UARTEx_RxEventCallback()的参数Size却是 （预设的缓冲区大小 – NDTR），也就是剩余缓冲区大小，具体参考HAL_UART_IRQHandler()下面的几行代码：
/* Check if DMA mode is enabled in UART */
if (HAL_IS_BIT_SET(huart->Instance->CR3, USART_CR3_DMAR))
{ /* DMA mode enabled */
uint16_t nb_remaining_rx_data = (uint16_t) __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart->hdmarx); //返回的值就是NDTR
......
huart->RxXferCount = nb_remaining_rx_data;
......
HAL_UARTEx_RxEventCallback(huart, (huart->RxXferSize - huart->RxXferCount));
}
因此普通模式下把Size当作写入长度是没问题的，但循环模式下就需要我们进一步计算了。
既然把循环模式的数据存放看作环形缓冲区，那Size不就基本等同于一个自动更新的写索引了吗？我们维护一个自定义写索引rear，每次进入空闲中断都更新一次：
rear = (Size != sizeof(RxBuffer))?Size:0; //若Size等于缓冲区长度证明写满了，写指针要回到起点
很容易就能得出写入数据的长度：
Size > rear，写入数据长度 = Size – rear；Size <= rear，写入数据长度 = Size + (sizeof(RxBuffer) – rear)。紧接而来就有一个坑了：看到这里大家可能会想到，把全满中断关掉，反正也用不上，开着还会进入中断回调，还可能影响到上面的运算逻辑。这个想法本身是没问题的，但实际上回看上面普通模式贴的代码就会发现一个问题：
/* DMA mode enabled */
uint16_t nb_remaining_rx_data = (uint16_t) __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart->hdmarx);
if ((nb_remaining_rx_data > 0U) && (nb_remaining_rx_data < huart->RxXferSize))
{
if (huart->hdmarx->Init.Mode != DMA_CIRCULAR)
{......}
/*Call legacy weak Rx Event callback*/
HAL_UARTEx_RxEventCallback(huart, (huart->RxXferSize - huart->RxXferCount));
}
调用回调函数的条件，普通模式和循环模式是一样的：NDTR>0，且NDTR < 预设的BufferSize 。循环模式下一旦NDTR变为0会立刻重置为初始预设值，也就是说如果写入的数据刚好写满缓冲区，进入HAL_UART_IRQHandler() 时是 NDTR == 预设的BufferSize，自然就不会调用回调函数了！
解决方法
首先我们迫不得已还是要开全满中断，解决思路如下：
Size == sizeof(RxBuffer) （或 huart->RxEventType == HAL_UART_RXEVENT_TC），证明触发的是全满中断，此时需要加入一定延时（不能直接用HAL_Delay()，SysTick中断抢占优先级最低，在这里调用只会导致程序卡死），等待DMA传输一个单位数据的周期，然后进行如下判断：
NDTR == sizeof(RxBuffer)，证明触发中断后没有再往缓冲区里写数据了（中断不会打断DMA传输），本次写入就是刚好写满缓冲区。运算和之前所述一样；NDTR != sizeof(RxBuffer)，证明数据还没写完，我们只要等待空闲中断到来再处理就行了，因此直接return即可；Size != sizeof(RxBuffer)，证明触发的是空闲中断，和之前所述同样处理。ps：
代码仅供参考：
#define UART_RXBUF_MAXSIZE (8)
//串口环形缓冲区结构
typedef struct
{
uint16_t front; //写索引
uint16_t rear; //读索引
uint8_t buf[UART_RXBUF_MAXSIZE]; //缓冲区
}uart_buf_t, * p_uart_buf_t;
uart_buf_t rxCirBuf = {};
//读取串口缓冲区
int get_data_fromRxBuf(uint8_t* data,uint16_t size)
{
p_uart_buf_t p = &rxCirBuf;
if(size == 0 || size > sizeof(p->buf))
return -1;
if(p->front < p->rear)
{
memcpy(data,p->buf + p->front,size);
p->front += size;
}
else
{
uint16_t rest = sizeof(p->buf) - p->front;
memcpy(data,p->buf + p->front,rest);
memcpy(data+rest,p->buf,size - rest);
p->front = size - rest;
}
return 1;
}
//接收中断回调函数
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef * huart, uint16_t Size)
{
if(huart->Instance == USART1)
{
uint16_t BUFF_SIZE = sizeof(rxCirBuf.buf);
//判断是否为全满中断
if(Size == BUFF_SIZE)
{
delay_us(100); //这里记得要用非中断延时
uint16_t NDTR = (uint16_t) __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart->hdmarx);
if(NDTR != BUFF_SIZE)
return;
}
//计算数据长度
uint16_t size = (Size > rxCirBuf.rear)?\
(Size - rxCirBuf.rear):(Size + (BUFF_SIZE - rxCirBuf.rear));
//写索引更新
rxCirBuf.rear = (Size != BUFF_SIZE)?Size:0;
/* TODO: */
//测试用：发送接收到的数据
uint8_t dSend[size];
if(1 == get_data_fromRxBuf(dSend, size))
HAL_UART_Transmit(&huart1, dSend, size,20);
}
}
上面代码的测试部分还包含了读取缓冲区的操作，本文不再展开。
总结说明
上面所述的是如何使用循环模式下的环形缓冲区，包括应该在哪里、在什么时候处理接收的数据，并且如何获取到接收到数据的长度。每个人的应用场景不同，有可能处理的数据每帧都有包头包尾，或每帧数据是定长，或数据中就包含长度信息，因此处理时并不一定要计算size。本文只是介绍了一个实现思路，环形缓冲区也只是进行了最基本的实现，实质上还有很多可挖掘可完善的地方，比如这篇博客里提到的一种情况：处理一帧数据过久会出现的情况（@大文梅）。
六、使用DMA进行串口发送
来都来了，顺便简单讲一下HAL_UART_Transmit_DMA()发送数据的流程。
首先接收数据和发送数据不是同一个DMA流，数据流的方向都不一样，如果发现无法发送数据不妨先检查下是否忘记配置串口Tx的DMA流。
大概的工作流程
- 在
HAL_UART_Transmit_DMA()里，发送数据前会自动打开中断使能和DMA流使能并清空中断标志位，配置好后令串口控制寄存器的DMAT位置1（USART_CR3_DMAT）使能DMA Mode； - 使能后DMA开始从Memory将数据写入到TDR，而当TDR的数据全部送到移位寄存器后，TXE Flag会置1，说明TDR空了，DMA就又送入下一个数据了。 特别说明一下，整个过程TXEIE位是disabled的，因此每次TXE Flag置1都不会触发中断。另外
HAL_UART_Transmit()也是一样，只有HAL_UART_Transmit_IT()会使能TXEIE来利用TXE中断发送数据。 这样大家应该可以理解这三者的区别了，包括阻塞发送和非阻塞发送也清晰了。别再写完HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, rxBuf, Size)或HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, rxBuf, Size)后接一句memset(rxBuf, 0, Size)然后问为什么发不出数据或者少数据了； - 当全部数据数传输完成后，NDTR计数也到0了，触发了全满中断从而进入了
HAL_DMA_IRQHandler()。HAL库会自动清空中断标志位，若非循环模式还会禁止DMA中断。最后调用库内置的回调函数UART_DMATransmitCplt()； UART_DMATransmitCplt()中会将DMAT置0，禁止DMA Mode；然后USART_CR1_TCIE置1使能传输完成中断。最后调用回调函数HAL_UART_TxCpltCallback()，用户可以重写该函数来实现自己的需求。
后话
可能很多人会想：你这文章也太啰嗦了，我都用HAL库了还要去刨它库函数怎么运行吗？直接写解决方案就行了，顺便把源码附上()。
我的想法是：如果你能一次把功能调通且往后也不会出问题，那确实是可以。但是随着应用场景的变化，外设的变化甚至是MCU的变化，你能保证你的代码同样适用吗？嵌入式开发本身就是不断修正的过程。出问题不是问题，出了问题不会找原因才是问题。 而我文章内容就是一个不断出问题、找原因、解决问题的过程。
举个例子，网上其它使用DMA+空闲中断的教程，都是简单地教你使用HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA()，普通模式下要在接收完一次数据后再调用一次。但我在学习过DMA后，第一想法是只调用这个函数一次，因为DMA开启之后没必要每次都去重置，尤其是缓冲区还有很多剩余空间的情况下。我的想法是串口中断应该只会禁止串口的DMA相关使能位，我只要在中断中重新使能就好了。但写了代码之后发现不行，debug时发现整个DMA流都被禁掉了。一看原来HAL库的串口中断函数里调用了HAL_DMA_Abort(huart->hdmarx)，空闲中断发生就自动给你把DMA流禁了。虽然我在小标题标明了“不感兴趣的可以忽略”，但其实我相信总有人像我一样感兴趣的~
HAL库开发确实大大简化了开发过程，也降低了开发门槛，但这不代表我们对自己的要求降低了。同样的坑，你过了门槛踩到它时都是一样深的，爬出来也是一样费劲。你是想等有人路过把你拉出来，还是自己慢慢努力爬出来？
作者：花舞君
