代码收藏家技术教程 2024-12-18

STM32 HAL库 UART在循环DMA模式下接收大量不定字长数据并进行乒乓缓存

源码（Github）
详细Debug过程可见我的Blog
参考文献：

一个严谨的STM32串口DMA发送&接收（1.5Mbps波特率）机制

STM32 HAL 库实现乒乓缓存加空闲中断的串口 DMA 收发机制，轻松跑上 2M 波特率

DMA在循环模式下工作时，如果在大规模传输数据时仍旧空闲中断（或传输完成中断）会有风险，因为当DMA传输数据完成，CPU介入开始拷贝DMA通道缓冲区数据时，如果此时UART继续有数据进来，DMA继续搬运数据到缓冲区，就有可能将数据覆盖，因为DMA数据搬运是不受CPU控制的，即使你关闭了CPU中断。

因此严谨的做法需要建立双buffer，CPU和DMA各自使用一块内存交替访问，即乒乓缓存，处理流程为：

DMA先将数据搬运到buf1，搬运完成通知CPU来拷贝buf1数据
DMA将数据搬运到buf2，与CPU拷贝buf1数据不会冲突
buf2数据搬运完成，通知CPU来拷贝buf2数据
DMA继续开始拷贝新数据

STM32大多数型号不提供现成的双缓存机制，但提供“半满中断”，即数据搬运到buf大小的一半时，可以产生一个中断信号。基于这个机制，我们可以实现双缓存功能，只需将buf空间开辟大一点即可。

DMA将数据搬运完成buf的前一半时，触发“半满中断”事件，Callback中通知CPU来拷贝buf前半部分数据
DMA继续将数据搬运到buf的后半部分，与CPU拷贝buf前半部数据不会冲突
buf后半部分数据搬运完成，触发“溢满中断”，Callback通知CPU来拷贝buf后半部分数据
DMA循环拷贝新数据

基于上述描述机制，DMA方式接收串口数据，有三种中断场景需要CPU去将buf数据拷贝到final中，分别是：

DMA通道buf溢满（传输完成）场景，触发满溢中断（HAL_UARTEx_RxEventCallback）

DMA通道buf半满场景，触发半满中断（HAL_UART_RxHalfCpltCallback）

串口空闲中断场景，触发空闲中断（UART_FLAG_IDLE）
请添加图片描述

也就是说，代码总共需要考虑以下几种情况：

数据量未达到半满，触发空闲中断
数据量达到半满，未达到满溢，先触发半满中断，后触发空闲中断
数据量刚好达到满溢，先触发半满中断，后触发满溢中断
数据量大于缓冲区长度，DMA循环覆盖溢出的字节

对于情况1：在空闲中断中拷贝全部数据

对于情况2：在半满中断中通知CPU拷贝一半的数据，DMA继续接收剩下的数据，最后在空闲中断中拷贝剩下的数据

对于情况3：在半满中断中通知CPU拷贝一半的数据，DMA继续接收剩下的数据，最后在满溢中断中拷贝剩下的一半数据

对于情况4：综合处理

不少教程会单独在三个中断回调函数中进行数据处理，可以发现代码量还是挺大的。尤其是这么写代码存在一个比较麻烦的逻辑：当DMA接收的数据量大于缓冲区大小RX_BUFFER_SIZE时，由于DMA工作在循环模式，那么溢出的数据会被DMA重新放到缓冲区的开始部分，从而覆盖原有的数据。要处理这部分数据势必要引入比较复杂的判断机制，还要实时更新队首和队尾的指针，导致整个程序变得比较复杂。

好在HAL库除了普通的HAL_UART_Receive_DMA()和HAL_UART_RxCpltCallback()外，HAL库还提供了HAL_UARTEx_RxEventCallback回调。

/**
  * @brief  Reception Event Callback (Rx event notification called after use of advanced reception service).
  * @param  huart UART handle
  * @param  Size  Number of data available in application reception buffer (indicates a position in
  *               reception buffer until which, data are available)
  * @retval None
  */
__weak void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  UNUSED(Size);

  /* NOTE : This function should not be modified, when the callback is needed,
            the HAL_UARTEx_RxEventCallback can be implemented in the user file.
   */
}

该回调函数会在“advanced reception service”事件发生后触发，这里的所谓高级接收服务就包括之前需要分开判断的半满中断、满溢中断和空闲中断。这三个中断触发后都会回调HAL_UARTEx_RxEventCallback()函数。因此在拷贝数据时，无需再单独进行中断回调类型的判断。由于DMA工作不依赖CPU，因此在该函数内要做的就是将缓冲区内的数据拷贝至目标地址。形参Size表示当前缓冲区内可用数据长度。

原先的三个中断中的代码可以合到一个中实现：

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
  static uint8_t rx_buf_head = 0;
  static uint8_t rx_size; //待处理数据长度
 
  rx_size = Size - rx_buf_head;

  for (uint16_t i = 0; i < rx_size; i++)
  {
      RxFinal[final_index++] = RxBuf[(rx_buf_head + i) % RxBufSize]; // 环形缓冲处理
      if (final_index >= RxFinalSize) final_index = 0; // 避免 RxFinal 溢出
  }

  rx_buf_head = rx_buf_head + rx_size;

  if (rx_buf_head >= RxBufSize) rx_buf_head = 0;
}
}

作者：Akiyama_R1n