基于stm32的UART高效接收DMA+IDLE编程示例

news2024/9/20 3:28:16

基于stm32的UART高效接收DMA+IDLE编程示例

本文目标：基于stm32_h5的freertos编程示例

按照本文的描述，应该可以在对应的硬件上通实验并举一反三。

先决条件：拥有C语言基础，装有编译和集成的开发环境，比如：Keil uVision5

使用外设：USART1、USART1、GPIO、SysTick

HAL库版本：STM32H5xx HAL Driver version number 1.1.0

STMCubeMX版本：6.10.0

Keil uVision5版本：V5.38.0.0

实验目的

记录项目学习，学习在项目中进行的UART编程，体验串口的高效接收，设计一个实验，实现串口的接收。

场景使用原理图

在我的应用场景中，原理图的内容如下：

在这里插入图片描述

我将J4的接口的进行接线，这样就可以设计出一个串口发送，一个串口进行接收的实验。

UART的三种编程方式

结合 UART 硬件结构，有 3 种编程方法：

① 查询方式：

要发送数据时，先把数据写入 TDR 寄存器，然后判断 TDR 为空再返回。当然也可以先判断 TDR 为空，再写入。要读取数据时，先判断 RDR 非空，再读取 RDR 得到数据。

② 中断方式：

使用中断方式，效率更高，并且可以在接收数据时避免数据丢失。要发送数据时，使能“TXE”中断（发送寄存器空中断）。在 TXE 中断处理函数里，从程序的发送 buffer 里取出一个数据，写入 TDR。等再次发生 TXE 中断时，再从程序的发送buffer 里取出下一个数据写入 TDR。

对于接收数据，在一开始就使能“RXNE”中断（接收寄存器非空）。这样，UART 接收到一个数据就会触发中断，在中断程序里读取 RDR 得到数据，存入程序的接收 buffer。当程序向读取串口数据时，它直接读取接收 buffer 即可。这里涉及的“发送 buffer”、“接收 buffer”，特别适合使用“环形 buffer”。

③ DMA 方式：

使用中断方式时，在传输、接收数据时，会发生中断，还需要 CPU 执行中断处理函数。有另外一种方法：DMA（Direct Memory Access），它可以直接在 2 个设备之间传递数据，无需 CPU 参与。

在这里插入图片描述

设置好 DMA（源、目的、地址增减方向、每次读取数据的长度、读取次数）后，DMA 就会自动地在 SRAM 和 UART 之间传递数据：

① 发送时：DMA 从 SRAM 得到数据，写入 UART 的 TDR 寄存器

② 接收时：DMA 从 UART 的 RDR 寄存器得到数据，写到 SRAM 去

③ 指定的数据传输完毕后，触发 DMA 中断；在数据传输过程中，没有中断，CPU 无需处理。

涉及使用的HAL库API如下：

//查询方式：
//发送：
HAL_UART_Transmit
//接收： 
HAL_UART_Receive
    
//中断方式：
//发送：
HAL_UART_Transmit_IT
HAL_UART_TxCpltCallback 
//接收： 
HAL_UART_Receive_IT
HAL_UART_RxCpltCallback
    
//DMA方式：
//发送：
HAL_UART_Transmit_DMA
HAL_UART_TxHalfCpltCallback
HAL_UART_TxCpltCallback
//接收： 
HAL_UART_Receive_DMA
HAL_UART_RxHalfCpltCallback
HAL_UART_RxCpltCallback
    
// 错误
HAL_UART_ErrorCallback
HAL_UART_ErrorCallback

IDLE

IDLE，空闲的定义是：总线上在一个字节的时间内没有再接收到数据。UART 的 IDLE 中断何时发生？RxD 引脚一开始就是空闲的啊，难道 IDLE 中断一直产生？不是的。当我们使能 IDLE 中断后，它并不会立刻产生，而是：至少收到 1 个数据后，发现在一个字节的时间里，都没有接收到新数据，才会产生 IDLE 中断。我们使用 DMA 接收数据时，确实可以提高 CPU 的效率，但是“无法预知要接收多少数据”，而我们想尽快处理接收到的数据。怎么办？比如我想读取 100 字节的数据，但是接收到 60 字节后对方就不再发送数据了，怎么办？我们怎么判断数据传输中止了？可以使用IDLE 中断。在这种情况下，DMA 传输结束的条件有 3：

① 接收完指定数量的数据了，比如收到了 100 字节的数据了，HAL_UART_RxCpltCallback被调用

② 总线空闲了：HAL_UARTEx_RxEventCallback 被调用

③ 发生了错误：HAL_UART_ErrorCallback 被调用

使用 IDLE 状态来接收的函数有：

//查询方式：
//接收： 
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle
//回调函数：
//根据返回参数 RxLen 判断是否接收完毕，还是因为空闲而返回
    
//中断方式：
//接收： 
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT
//回调函数：
完毕：HAL_UART_RxCpltCallback
因为空闲而中止：
HAL_UARTEx_RxEventCallback

//DMA方式：
//接收： 
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA
//回调函数：
传输一半：
HAL_UART_RxHalfCpltCallback
完毕：
HAL_UART_RxCpltCallback
因为空闲而中止：
HAL_UARTEx_RxEventCallback

// 错误
HAL_UART_ErrorCallback

程序设计

① 使用 DMA+IDLE 中断的方式接收数据，它会把数据存入临时缓冲区；

② 在回调函数里：把临时缓冲器的数据写入队列，然后再次使能 DMA

③ APP读取队列：如果队列里没有数据则阻塞。

在这里插入图片描述

串口配置

打开配置工具，进行串口配置

在这里插入图片描述

配置中断

在这里插入图片描述

配置DMA

在这里插入图片描述

代码片段

按照上述的配置进行底层配置之后，我们写点代码，如下：

  xTaskCreate(
      CH1_UART2_TxTaskFunction, // 函数指针, 任务函数
      "ch1_uart2_tx_task",     // 任务的名字
      200,                      // 栈大小,单位为word,200表示800字节
      NULL,                     // 调用任务函数时传入的参数
      osPriorityNormal,         // 优先级
      NULL);                    // 任务句柄, 以后使用它来操作这个任务

  xTaskCreate(
      CH2_UART4_RxTaskFunction, // 函数指针, 任务函数
      "ch2_uart4_rx_task",      // 任务的名字
      200,                      // 栈大小,单位为word,200表示800字节
      NULL,                     // 调用任务函数时传入的参数
      osPriorityNormal,         // 优先级
      NULL);                    // 任务句柄, 以后使用它来操作这个任务

这里的创建的两个任务代码片段如下：

static void CH1_UART2_TxTaskFunction( void *pvParameters ) 
{
    uint8_t c = 0;
    
    while (1)
    {
      // send data
      HAL_UART_Transmit_DMA (&huart2, &c, 1);
      Wait_UART2_TxComplete(100);
      vTaskDelay(500);
      c++;
    }
}

static void CH2_UART4_RxTaskFunction( void *pvParameters ) 
{
    uint8_t c = 0;

    int cnt = 0;
    char buf[100];
    HAL_StatusTypeDef err;

    UART4_Rx_Start();

    while (1)
    {
      // receive data
      err = UART4_GetData(&c);

      if(err == 0)
      {
        sprintf(buf, "Recv Data : 0x%02x, Cnt : %d", c, cnt++);
		Draw_String(0, 0, buf, 0x0000ff00, 0);

      }
      else
      {
        HAL_UART_DMAStop(&huart4);
      }
    }
}

其中开始发送和开始接收的代码片段：

int UART4_GetData(uint8_t *pData)
{
	xQueueReceive(g_xUART4_RX_Queue, pData, portMAX_DELAY);
	return 0;
}

void UART4_Rx_Start(void)
{
	g_xUART4_RX_Queue = xQueueCreate(200, 1);
	
	HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart4, g_uart4_rx_buf, 100);
}

编译、烧写、运行，可以看到开发板的 LED 不断闪烁，LCD 上不断的有数据过来，实验设计成功。

在这里插入图片描述