STM32串口接收不定长数据（空闲中断+DMA）

玩转 STM32 单片机，肯定离不开串口。串口使用一个称为串行通信协议的协议来管理数据传输，该协议在数据传输期间控制数据流，包括数据位数、波特率、校验位和停止位等。由于串口简单易用，在各种产品交互中都有广泛应用。

但在使用串口通讯的时候，我们并不知道对方会发送多少个数据，也不知道数据什么时候发送完，简单来讲就是：如何确保收到一帧完整的数据？

串口发送的数据有长有短，如果没有接收完整，肯定会影响后续业务的处理。为了接收不定长数据，常见的处理方法有：

1. 固定格式

比如双方约定，一帧的数据以 AA BB 开头，以 BB AA 结尾，这样在从机接收数据的时候，一旦收到 AA BB 字符，就知道对方要发来一个数据包了，然后就把后面发来的数据保存起来，直到接收到 BB AA 为止。

这种方法简单高效，但缺点就是需要每个字符都进行判断，浪费 CPU 资源，增加功耗。

2. 接收中断+超时判断

串口接收到一个数据时，就会触发接收中断。但如何判断数据已经发送完了呢？

通常来讲，两帧数据之间，会有个时间间隔。因此，我们可以使用一个计时器，如果在一个固定的时间点里没接收到新的字符，则认为一帧数据接收完成了。

3. 空闲中断

串口在空闲时，也就是说串口在一段时间里没有接收到新数据，则会触发空闲中断。细心的同学应该发现了，空闲中断实际上跟上面的超时判断是一样样的，只不过空闲中断是硬件自带，但超时判断需要我们自己实现。

所以，一旦接收到空闲中断，可以认为接收到一帧完整的数据。

但是，空闲中断并不是所有的 MCU 都具备，一般高端一点的 MCU 才有，低端一些的 MCU 并没有空闲中断。

1. 源码下载及前置阅读

本文首发 良许嵌入式网 ：https://www.lxlinux.net/e/ ，欢迎关注！

本文所涉及的源码及安装包如下（由于平台限制，请点击以下链接阅读原文下载）：

https://www.lxlinux.net/e/stm32/stm32-usart-receive-data-using-idle-dma.html

如果你是个零基础的小白，连 STM32 都没见过，我也给你准备了一个保姆级教程，手把手教你搭建好 STM32 开发环境，并教你如何下载程序，简直业界良心！

https://www.lxlinux.net/e/stm32/stm32-quick-start-for-beginner.html

如果你连代码都不知道怎么烧录到 STM32 的，可以参考下文，提供了 5 种代码烧录方式：

https://www.lxlinux.net/e/stm32/five-ways-to-flash-program-to-stm32.html

如果你想自己搭一个属于自己的工程模板，可以参考下面这篇文章：

https://www.lxlinux.net/e/stm32/create-stm32-hal-project-template.html

在本文中，我们详细来介绍如何使用接收中断+超时判断完成不定长数据的接收，对于接收中断的接收，请查看下文：

https://www.lxlinux.net/e/stm32/stm32-usart-receive-data-using-rxne-time-out.html

2. 什么是空闲中断？

前文已经提到，当接收到一字节数据时，会触发接收中断，对应串口状态寄存器第 5 位被置 1 ；如果串口在空闲时，则会触发空闲中断，第 4 位被置 1 ，如下图所示：

在中断服务函数里，记得一定要清除 IDLE 位，否则将一直触发空闲中断，影响后续的业务处理。

3. DMA

3.1 什么是DMA？

令人头秃的描述：

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）提供在外设与内存、存储器和存储器、外设与外设之间的高速数据传输使用。它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于 CPU ，在这个时间中，CPU 对于内存的工作来说就无法使用。

简单描述：

就是一个数据搬运工！！

3.2 DMA的意义

代替 CPU 搬运数据，为 CPU 减负。

数据搬运的工作比较耗时间；
数据搬运工作时效要求高（有数据来就要搬走）；
没啥技术含量（CPU 节约出来的时间可以处理更重要的事）。

3.3 搬运什么数据？

存储器、外设

这里的外设指的是 spi、usart、iic、adc 等基于APB1 、APB2 或 AHB 时钟的外设，而这里的存储器包括自身的闪存（flash）或者内存（SRAM）以及外设的存储设备都可以作为访问地源或者目的。

三种搬运方式：

存储器→存储器（例如：复制某特别大的数据 buf ）
存储器→外设（例如：将某数据 buf 写入串口 TDR 寄存器）
外设→存储器（例如：将串口 RDR 寄存器写入某数据 buf ）

存储器→存储器

存储器→外设

外设→存储器

3.4 DMA 控制器

STM32F103 有 2 个 DMA 控制器，DMA1 有 7 个通道，DMA2 有 5 个通道。对于 STM32F103C8T6 这颗芯片，只有 DMA1 。

一个通道每次只能搬运一个外设的数据！！ 如果同时有多个外设的 DMA 请求，则按照优先级进行响应。

DMA1 有 7 个通道：

DMA2 有 5 个通道

3.5 DMA及通道的优先级

优先级管理采用软件+硬件：

软件： 每个通道的优先级可以在 DMA_CCRx 寄存器中设置，有4个等级

最高级>高级>中级>低级
硬件： 如果 2 个请求，它们的软件优先级相同，则较低编号的通道比较高编号的通道有较高的优先权。

比如：如果软件优先级相同，通道 2 优先于通道 4

3.6 DMA传输方式

DMA_Mode_Normal（正常模式）

一次 DMA 数据传输完后，停止 DMA 传送，也就是只传输一次
DMA_Mode_Circular（循环传输模式）

当传输结束时，硬件自动会将传输数据量寄存器进行重装，进行下一轮的数据传输。也就是多次传输模式

3.7 指针递增模式

外设和存储器指针在每次传输后可以自动向后递增或保持常量。当设置为增量模式时，下一个要传输的地址将是前一个地址加上增量值。

4. 硬件准备

STM32 核心板

本文使用 STM32F103C8T6 核心板，非常便宜，某宝上 10 元左右（关键词：STM32 核心板），一杯奶茶的钱不到。

核心板最大的优点是便宜简单，缺点就是需要根据需求自己搭一些电路，对你的动手能力要求比较高。

上面所推荐的这块核心板，主控芯片是 STM32103C8T6 ，64K flash，20K RAM，4 个定时器，3 个串口，网络上资料好几吨，非常适合初学者入门，强烈推荐。

USB 转 TTL

这种设备主要作用是用来调试或下载程序。价格也很便宜，普遍 5~8 元。

ST-Link

ST-Link 是一种用于 STM32 微控制器的调试和编程工具，它可以通过 SWD 或 JTAG 接口与开发板进行通信。一般也很便宜，七八元左右。

5. 编程实战

在本实验中，我们将串口 1 作为 log 输出端口，串口 2 作为本次实验的接收端口。

因此我们需要提前创建 uart2 模块，包含 uart2.c 及 uart2.h 两个文件，并加载进工程模板。

5.1 串口初始化

串口的初始化大家应该不陌生，主要步骤为：

定义串口句柄 uart2_handle ，并调用 HAL_UART_Init 进行初始化；
初始化串口底层函数，调用 HAL_UART_MspInit 函数。

第一步在 uart2.c 文件里进行：

UART_HandleTypeDef uart2_handle;

void uart2_init(uint32_t baudrate)
{
    uart2_handle.Instance          = UART2_INTERFACE;              /* UART2 */
    uart2_handle.Init.BaudRate     = baudrate;                     /* 波特率 */
    uart2_handle.Init.WordLength   = UART_WORDLENGTH_8B;           /* 数据位 */
    uart2_handle.Init.StopBits     = UART_STOPBITS_1;              /* 停止位 */
    uart2_handle.Init.Parity       = UART_PARITY_NONE;             /* 校验位 */
    uart2_handle.Init.Mode         = UART_MODE_TX_RX;              /* 收发模式 */
    uart2_handle.Init.HwFlowCtl    = UART_HWCONTROL_NONE;          /* 无硬件流控 */
    uart2_handle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;         /* 过采样 */
    HAL_UART_Init(&uart2_handle);                                  /* 使能UART2 */
}

第二步在 usart.c 文件里进行，其实也可以在 uart2.c 文件里做，但我懒~

在最下面两行代码，我们使用 __HAL_UART_ENABLE_IT() 使能接收中断及空闲中断。

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;

    if (huart->Instance == USART_UX)                            /* 如果是串口1，进行串口1 MSP初始化 */
    {
        ....
        // 节略串口1相关代码
        ....
    }
    else if (huart->Instance == UART2_INTERFACE)                /* 如果是UART2 */
    {
        UART2_TX_GPIO_CLK_ENABLE();                             /* 使能UART2 TX引脚时钟 */
        UART2_RX_GPIO_CLK_ENABLE();                             /* 使能UART2 RX引脚时钟 */
        UART2_CLK_ENABLE();                                     /* 使能UART2时钟 */

        gpio_init_struct.Pin    = UART2_TX_GPIO_PIN;            /* UART2 TX引脚 */
        gpio_init_struct.Mode   = GPIO_MODE_AF_PP;              /* 复用推挽输出 */
        gpio_init_struct.Pull   = GPIO_NOPULL;                  /* 无上下拉 */
        gpio_init_struct.Speed  = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;         /* 高速 */
        HAL_GPIO_Init(UART2_TX_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);   /* 初始化UART2 TX引脚 */

        gpio_init_struct.Pin    = UART2_RX_GPIO_PIN;            /* UART2 RX引脚 */
        gpio_init_struct.Mode   = GPIO_MODE_INPUT;              /* 输入 */
        gpio_init_struct.Pull   = GPIO_NOPULL;                  /* 无上下拉 */
        gpio_init_struct.Speed  = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;         /* 高速 */
        HAL_GPIO_Init(UART2_RX_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);   /* 初始化UART2 RX引脚 */

        HAL_NVIC_SetPriority(UART2_IRQn, 0, 0);                 /* 抢占优先级0，子优先级0 */
        HAL_NVIC_EnableIRQ(UART2_IRQn);                         /* 使能UART2中断通道 */

        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);              /* 使能UART2接收中断 */
        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_IDLE);              /* 使能UART2总线空闲中断 */
    }
}

5.2 串口中断服务函数

前文已经提到，串口触发到一次接收中断，则代表接收到一个字符，我们就可以把这个字符放到接收缓冲区里。这个过程与上一篇文章一样样，可以参考下文：

【STM32串口接收不定长数据（接收中断+超时判断）】

具体代码实现如下：

void UART2_IRQHandler(void)
{
    uint8_t receive_data = 0;   
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_RXNE) != RESET){    //获取接收RXNE标志位是否被置位
        if(uart2_rx_len >= sizeof(uart2_rx_buf))                        //如果接收的字符数大于接收缓冲区大小，
            uart2_rx_len = 0;                                           //则将接收计数器清零
        HAL_UART_Receive(&uart2_handle, &receive_data, 1, 1000);        //接收一个字符
        uart2_rx_buf[uart2_rx_len++] = receive_data;                    //将接收到的字符保存在接收缓冲区
    }

    ...
    // 省略空闲中断代码
    ...
}

串口触发一次空闲中断，则代表接收到一帧数据，也就是收到了一个完整的数据包了，我们就可以将收到的数据包进行处理（比如打印出来），代码如下：

void UART2_IRQHandler(void)
{
    ...
    // 省略接收中断代码
    ...

    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_IDLE) != RESET)    //获取接收空闲中断标志位是否被置位
    {
        printf("recv: %s\r\n", uart2_rx_buf);                           //将接收到的数据打印出来
        uart2_rx_clear();
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&uart2_handle);                       //清除UART总线空闲中断
    }
}

在上面的代码里，一定要记得调用 __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG() 函数清除 UART 总线空闲中断，否则空闲中断一直处于触发状态，影响下一次接收。

判断是否收到接收/空闲中断，需要用到的是 __HAL_UART_GET_FLAG() 函数，接收中断判断的是 UART_FLAG_RXNE 标志位，而空闲中断判断的是 UART_FLAG_IDLE 标志位。

串口中断服务函数完整代码如下（就是将上面两部分代码合二为一）：

void uart2_rx_clear(void)
{
    memset(uart2_rx_buf, 0, sizeof(uart2_rx_buf));          //清空接收缓冲区
    uart2_rx_len = 0;                                       //接收计数器清零
}

void UART2_IRQHandler(void)
{
    uint8_t receive_data = 0;   
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_RXNE) != RESET){    //获取接收RXNE标志位是否被置位
        if(uart2_rx_len >= sizeof(uart2_rx_buf))                        //如果接收的字符数大于接收缓冲区大小，
            uart2_rx_len = 0;                                           //则将接收计数器清零
        HAL_UART_Receive(&uart2_handle, &receive_data, 1, 1000);        //接收一个字符
        uart2_rx_buf[uart2_rx_len++] = receive_data;                    //将接收到的字符保存在接收缓冲区
    }

    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_IDLE) != RESET)    //获取接收空闲中断标志位是否被置位
    {
        printf("recv: %s\r\n", uart2_rx_buf);                           //将接收到的数据打印出来
        uart2_rx_clear();
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&uart2_handle);                       //清除UART总线空闲中断
    }
}

对应的 uart2.h 文件完整代码如下：

#include <stdint.h>
#include "usart.h"

/* 引脚定义 */
#define UART2_TX_GPIO_PORT           GPIOA
#define UART2_TX_GPIO_PIN            GPIO_PIN_2
#define UART2_TX_GPIO_CLK_ENABLE()   do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)

#define UART2_RX_GPIO_PORT           GPIOA
#define UART2_RX_GPIO_PIN            GPIO_PIN_3
#define UART2_RX_GPIO_CLK_ENABLE()   do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)

#define UART2_INTERFACE              USART2
#define UART2_IRQn                   USART2_IRQn
#define UART2_IRQHandler             USART2_IRQHandler
#define UART2_CLK_ENABLE()           do{ __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE(); }while(0)

/* 错误代码 */
#define UART_EOK                     0   /* 没有错误 */
#define UART_ERROR                   1   /* 通用错误 */
#define UART_ETIMEOUT                2   /* 超时错误 */
#define UART_EINVAL                  3   /* 参数错误 */

/* UART收发缓冲大小 */
#define UART2_RX_BUF_SIZE            128
#define UART2_TX_BUF_SIZE            64

void uart2_init(uint32_t baudrate);

到这里，实际上我们已经实现了使用空闲中断接收不定长数据的逻辑代码了，烧进板子后效果如下：

对于大多数应用场景下，这种串口接收不定长数据的处理方式已经足够用了。

但如果你串口每次接收的数据量过于庞大，那么就可以请出 DMA 这个数据搬运工了，一旦接收到数据则立马搬走，不占用 CPU 资源。

5.3 加入DMA

既然需要用到 DMA 外设，则在 BSP 目录下创建 dma.c 及 dma.h 两个文件，并加载进工程文件。

在 dma.c 文件里，我们要做的事情就是初始化 DMA 外设，实际上就是指定数据从哪里来、到哪里去，以及数据长度等等。

由于我们使用的是串口2 RX 通道，根据下图可知，用到的 DMA 通道为 DMA1_Channel6 （STM32F103C8T6只有 DMA1 ）。

在初始化的最后，一定要记得调用 HAL_UART_Receive_DMA() 函数开启 DMA 接收，否则 DMA 这个搬运工就算请过来了，他还是依然不为你工作。

详细代码如下：

void dma_init(void)
{
    // UART2 RX DMA配置
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();                                                /* DMA1时钟使能 */

    dma_handle.Instance = DMA1_Channel6;                                        /* USART2_RX使用的DMA通道为: DMA1_Channel6 */
    dma_handle.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;                           /* 外设到存储器模式 */
    dma_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;                               /* 外设非增量模式 */
    dma_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;                                   /* 存储器增量模式 */
    dma_handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;                  /* 外设数据长度:8位 */
    dma_handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;                     /* 存储器数据长度:8位 */
    dma_handle.Init.Mode = DMA_NORMAL;                                          /* 外设流控模式 */
    dma_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;                                /* 低优先级 */

    HAL_DMA_Init(&dma_handle);

    __HAL_LINKDMA(&uart2_handle, hdmarx, dma_handle);                           /* 将DMA与USART2联系起来(发送DMA) */
    HAL_UART_Receive_DMA(&uart2_handle, uart2_rx_buf, UART2_RX_BUF_SIZE);       /* 开启DMA接收 */
}

在串口中断服务函数里，我们可以将接收中断相关代码全部去掉（因为已经有了 DMA 这个搬运工了，没必要让 CPU 一个个字符转移数据了）。

我先把代码贴上来，再详细讲解。

void UART2_IRQHandler(void)
{
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_IDLE) != RESET){           //获取接收IDLE标志位是否被置位
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&uart2_handle);
        HAL_UART_DMAStop(&uart2_handle);                                        //停止DMA传输，防止干扰
        uart2_rx_len = UART2_RX_BUF_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&dma_handle);  //获取接收到的数据长度
        printf("recv: %s, recv_len: %d\r\n", uart2_rx_buf, uart2_rx_len);
        uart2_rx_clear();
        HAL_UART_Receive_DMA(&uart2_handle, uart2_rx_buf, UART2_RX_BUF_SIZE);   //重新开启DMA传输
    }
}

上面的代码有几个要点需要解释一下：

停止 DMA 传输

当我们收到空闲中断时，实际上 DMA 已经帮我们把所有的数据搬运到了接收缓冲区了，此时我们可以先把 DMA 传输关闭掉，防止干扰到后续的操作。

获取接收到的数据长度

__HAL_DMA_GET_COUNTER() 函数表示 DMA 中待接收的数据长度。什么意思呢？假设我需要 DMA 接收 100 个字符的数据量，但现在实际上只接收到了 30 个字符，那么待接收的数据长度为 70 ，也就是 __HAL_DMA_GET_COUNTER() 函数的返回值为 70 。

所以，我们已经接收到的数据长度，等于接收缓冲区的长度，减去待接收的数据长度，翻译成代码就是：

uart2_rx_len = UART2_RX_BUF_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&dma_handle);

重新开启 DMA 传输

一帧数据处理完成之后，我们肯定要进行下一帧数据的接收，所以需要调用 HAL_UART_Receive_DMA() 重新开启 DMA 传输，否则数据只接收一帧之后就罢工了。

到此 DMA 就加入成功了，烧进去板子后效果如下：

6. 小结

STM32 串口通讯在项目中使用的频率非常高，但由于不知道数据发送方会发送多少数据量，所以串口接收不定长数据成了一个急需解决的问题。

本文使用串口的空闲中断+DMA方法解决了此问题，并给出了详细的教程，希望对读者朋友有所帮助。

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