STM32：串口轮询模式、中断模式、DMA模式和接收不定长数据

news2024/12/23 17:47:09

一.串口轮询模式底层机制：

       在STM32每个串口的内部都有两个寄存器：发送数据寄存器(TDR)/发送移位寄存器,当我们调用HAL_UART_Transmit 把数据发送出去时，CPU会将数据依次将数据发送到数据寄存器中，移位寄存器中的数据会根据我们设置的比特率传化成高低电平从TX引脚输出。待发送移位寄存器中发数据发送出去后,CPU就会将下一个数据进行相同的发送。

        当我们调用HAL_UART_Receive把数据接收过来时，数据会通过RX引脚收到的电平信号进行转化后，会将数据存进接收移位寄存器。接收移位寄存器每接收完1帧就会将数据放到接收数据寄存器。而后CPU会将接收数据寄存器中的数据存到变量中

   

        而在轮询模式下。在发送整个数据的过程中，CPU都要不断地轮询“发送数据寄存器”中的数据是否移动到“发送移位寄存器”下,直到把本次要发送的数据全部发完，或者用时超过设置的超时时间才算结束。

        因此，采用轮询模式，在数据接收和发送过程中，CPU不会去做其他事情，主程序中的代码会进行阻塞直到IO结束。

具体的案例在下面链接：

STM32：TTL串口调试-CSDN博客

二.串口的中断模式

(1).中断模式机制

        采用中断模式便可以解决在IO过程中主程序阻塞问题。原理是接收和发送数据时，CPU并不会轮询发送/接收数据寄存器是否有数据。而是发送/接收数据寄存器当每数据时会发送一个中断主动通知CPU。因此CPU在将数据寄存器中的数据移动到移位寄存器后，就可以去执行其他任务了。当发送移位寄存器中的数据发送出去后就会触发“发送移位寄存器空”中断再把CPU叫回来。如此反复完成IO。

(2).中断模式案例

在STM32：TTL串口调试-CSDN博客这个案例下，改造成中断函数形式。

 1. 打开CubeIDE，开启USART2中断，生成代码

2.查看stm32f1xx_it文件中 USART2_IRQHandler() 中断处理函数的定义。由于每个USART中只有一个中断向量，并且这个中断向量是USART中断请求共用的，所以中断处理函数也是被USART共用的。因此，为了单独写发送数据的逻辑写在中断处理函数中就不太合适。因此需要判断哪些原因触发了这个中断处理函数，分别实现逻辑，而这个判断HAL_UART_IRQHandler(&huart2) 函数中已经帮我们准备好了。

        转到HAL_UART_IRQHandler(&huart2)的定义。可以看见经过一系列判断等逻辑后就会根据判断的结果执行Callback函数。因此当某个事件发生时，就会调用回调函数。而数据接收完成后执行的回调函数就是：

__weak void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)

注：Cplt 指 完成 。 __weak 关键字作为前缀代表是一个弱定义，我们可以在其他地方重新定义此函数

因此我们可以实现这个回调函数来实现传输数据又不阻塞主程序。

(3).示例代码

main.c关键代码如下：

注:  HAL_UART_Receive_IT(&huart2, &message, size);
       HAL_UART_Transmit_IT(&huart2,&message, size);

是中断形式的UART接收/发送数据的函数，由于不阻塞主程序因此不需要设置超时时间。

/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
UART_HandleTypeDef huart2;
uint8_t  recvDate[2];

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART2_UART_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart){
	//	  HAL_UART_Receive(huart, pData, Size, Timeout)
//		  HAL_UART_Receive(&huart2, recvDate, 2, HAL_MAX_DELAY);
		  HAL_UART_Transmit_IT(&huart2,recvDate,2);
		  GPIO_PinState pinstate= GPIO_PIN_RESET;
		  if(recvDate[1] == '1'){
			  pinstate = GPIO_PIN_SET;
		  }
		  if(recvDate[0] == 'R'){
			  HAL_GPIO_WritePin(redLED_GPIO_Port, redLED_Pin, pinstate);
		  }else if(recvDate[0] == 'B'){
			  HAL_GPIO_WritePin(blueLED_GPIO_Port,blueLED_Pin, pinstate);
		  }else if(recvDate[0] == 'G'){
			  HAL_GPIO_WritePin(greenLED_GPIO_Port,greenLED_Pin, pinstate);
		  }
		  HAL_UART_Receive_IT(&huart2, recvDate, 2);

}
/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_UART_Receive_IT(&huart2, recvDate, 2);

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
...

三.DMA 模式

       虽然采用中断模式便可以解决在IO过程中主程序阻塞问题，但是CPU切换过于频繁。而直接内存访问（DMA，Direct Memory Access）是一些计算机总线架构提供的功能，它能使数据从附加设备（如磁盘驱动器）直接发送到计算机主板的内存上。

        CPU和寄存器就像老师与学生。轮询模式就像老师每讲完一段知识点，老师都会不断地问学生学好了没，直到学会才会讲下一个知识点。中断模式就像老师每讲完一段知识点后就开始干自己的事，等待学生举手示意自己学习完后才开始讲下一个知识点。而DMA就像一名助教，负责提前学习老师要讲给学生的知识，助教再将所学知识讲给学生。直到学生把助教所学的知识都学完后，助教再让教师再传授一部分知识。

        再CubeIDE设计界面中，connective ->USART2-> DMA Settings 可以配置DMA通道(如下图).

想要发送数据(TX),即内存向外设传输数据，默认通道为Channal7，而接收为Channal6。目前采用默认配置就行。

配置完后，传输和发送数据的函数就变成了

注:  HAL_UART_Receive_DMA(&huart2, &message, size);
       HAL_UART_Transmit_DMA(&huart2,&message, size);

 当然，还可以利用中断来通知CPU传输/发送数据，只不过就不是原先的串口中断，而是DMA传输完成中断了。

四.接收不定长数据

(1) 接收不定长数据的原理

        接收不定长数据主要关心的是"串口空闲(Idle)中断"，即接收串口(RX引脚)上无后续数据进入便会触发。通常这个场景代表一帧数据包接收完成。

        而数据接收关键函数就变成了:

      HAL_UARTEx_ReceiveToIdle(&huart2, pData, Size, RxLen, Timeout)

      //size为允许装入的最大数据长度。

      HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart2, &message,maxsize);

      HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, &message, maxsize);

        回调函数就变成了

// Size参数传入数值为本次接收的数据长度

__weak void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)

对于该回调函数，除了"串口空闲中断"会调用以外，DMA传输过半中断也会调用。因此需要根据业务要求决定无关中断是否要屏蔽。

(2).采用DMA方式接收不定长数据的示例代码

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */
uint8_t  recvDate[20];
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
UART_HandleTypeDef huart2;
DMA_HandleTypeDef hdma_usart2_tx;
DMA_HandleTypeDef hdma_usart2_rx;

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_DMA_Init(void);
static void MX_USART2_UART_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size){
	if(huart == &huart2){
		 //把接收到的数据，发给终端进行打印
		 HAL_UART_Transmit_DMA(&huart2,recvDate,Size);
		 GPIO_PinState pinstate= GPIO_PIN_RESET;
		 if(recvDate[1] == '1'){
			 pinstate = GPIO_PIN_SET;
		 }
		 if(recvDate[0] == 'R'){
			 HAL_GPIO_WritePin(redLED_GPIO_Port, redLED_Pin, pinstate);
		 }else if(recvDate[0] == 'B'){
			 HAL_GPIO_WritePin(blueLED_GPIO_Port,blueLED_Pin, pinstate);
		 }else if(recvDate[0] == 'G'){
			 HAL_GPIO_WritePin(greenLED_GPIO_Port,greenLED_Pin, pinstate);
		 }
		 //继续接收即将要接收的数据
		  HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, recvDate, sizeof(recvDate));
		  //关闭DMA传输过半中断
		  __HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart2_rx,DMA_IT_HT);
	}
}
/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  //接收数据,并屏蔽DMA传输过半中断
  HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, recvDate, sizeof(recvDate));
  __HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart2_rx,DMA_IT_HT);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {

    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

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