【STM32】RTT-Studio中HAL库开发教程五：UART的DMA应用

news2024/9/23 7:19:05

文章目录

  • 一、简介
    • 1.关于DMA
    • 2.DMA使用场景
    • 3.DMA控制结构
    • 4.IDLE空闲中断
    • 5.实现方法
  • 二、RTT配置
  • 三、串口收发流程
  • 四、完整代码
  • 五、测试验证

一、简介

1.关于DMA

   DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问) 是所有现代电脑的重要特色，它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于CPU的大量中断负载。否则，CPU需要从来源把每一片段的资料复制到暂存器，然后把它们再次写回到新的地方。在这个时间中，CPU对于其他的工作来说就无法使用。
  简单的来说，能控制主存内部读写，这样有利于减轻CPU负担，加快读取速度。
  在没有DMA之前，串口每次发送数据时都要由CPU将源地址上的数据拷贝到串口发送的相关寄存器上；串口每次接收数据时都要由CPU将发送来的数据拷贝到主存上。而加了DMA后，只需要告诉DMA源地址和目标地址，DMA通道就能够自动进行数据的转移，即CPU只需要告诉DMA：串口需要发送的数据在哪里，串口接收到的数据应该存在哪里，运输的工作则交由DMA去做，运输期间CPU就可以去处理别的事情，这就大大提高了CPU的运行效率。

2.DMA使用场景

DMA用在只需要传输数据，不需要处理数据的地方，有三种传输方式：

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

3.DMA控制结构

Stm32F4最多有：2个DMA控制器，各8个数据流，每个数据流有8个通道（或请求），每个通道有一个仲裁器，用于处理请求的优先级。
在这里插入图片描述

4.IDLE空闲中断

（1）STM32 IDLE 接收空闲中断—接受完一帧数据，触发中断
  在使用串口接受字符串时，可以使用空闲中断（IDLEIE置1，即可使能空闲中断），这样在接收完一个字符串，进入空闲状态时，即将IDLE置1，便会激发一个空闲中断。在中断处理函数，我们可以解析这个字符串。

（2）STM32的IDLE的中断产生条件
  在串口无数据接收的情况下，不会产生，当清除IDLE标志位后，必须有接收到第一个数据后，才开始触发，一但接收的数据断流，没有接收到数据，即产生IDLE中断

（3）STM32 RXNE接收数据中断—接受到一个字节的数据，触发中断
  当串口接收到一个bit的数据时，(读取到一个停止位) 便会触发 RXNE接收数据中断

5.实现方法

利用串口IDLE空闲中断的方式接收一帧数据，方法如下:

  • 选择一个串口，并配置成空闲中断IDLE模式且使能DMA接收，并同时设置接收缓冲区和初始化DMA。
  • 初始化完成之后，当外部给单片机发送数据的时候，假设这次接受的数据长度是200个字节，那么在单片机接收到一个字节的时候并不会产生串口中断，而是DMA在后台把数据默默地搬运到你指定的缓冲区数组里面。
  • 当整帧数据发送完毕之后串口才会产生一次中断，此时可以利用__HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart1_rx)。
  • 函数计算出当前DMA接收存储空间剩余字节：本次的数据接受长度=预先定义的接收总字节-接收存储空间剩余字节。

例如：本次串口接受200个字节，HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,rx_buffer,200);//打开DMA接收。然后我发送了HelloWord9个字节的数据长度，那么此时 GET_COUNTER函数读出来 接收存储空间剩余字节 就是191个字节，实际接受的字节(9) = 预先定义的接收总字节(200) - __HAL_DMA_GET_COUNTER()（191）：9 = 200-191

二、RTT配置

（1）配置串口：主要是配置使用的串口号，以及打开RTT所需要的驱动函数。

/** After configuring corresponding UART or UART DMA, you can use it.
 *
 * STEP 1, define macro define related to the serial port opening based on the serial port number
 *                 such as     #define BSP_USING_UART1
 *
 * STEP 2, according to the corresponding pin of serial port, define the related serial port information macro
 *                 such as     #define BSP_UART1_TX_PIN       "PA9"
 *                             #define BSP_UART1_RX_PIN       "PA10"
 *
 * STEP 3, if you want using SERIAL DMA, you must open it in the RT-Thread Settings.
 *                 RT-Thread Setting -> Components -> Device Drivers -> Serial Device Drivers -> Enable Serial DMA Mode
 *
 * STEP 4, according to serial port number to define serial port tx/rx DMA function in the board.h file
 *                 such as     #define BSP_UART1_RX_USING_DMA
 *
 */

#define BSP_USING_UART1
#define BSP_UART1_TX_PIN       "PA9"
#define BSP_UART1_RX_PIN       "PA10"

#define BSP_USING_UART3
#define BSP_UART3_TX_PIN       "PD8"
#define BSP_UART3_RX_PIN       "PD9"

（2）配置初始化函数：主要是使用CubeMx配置生成串口的初始化代码，并将代码复制到board.c中。

extern DMA_HandleTypeDef hdma_usart3_rx;
extern DMA_HandleTypeDef hdma_usart3_tx;

/**
* @brief USART MSP Initialization
* This function configures the hardware resources used in this example
* @param husart: USART handle pointer
* @retval None
*/
void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef* huart)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    if (huart->Instance == USART3)
    {
        /* Peripheral clock enable */
        __HAL_RCC_USART3_CLK_ENABLE();
        __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();

        /**USART3 GPIO Configuration
         PD8     ------> USART3_TX
         PD9     ------> USART3_RX
         */
        GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9;
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;
        GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART3;
        HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);

        /* USART3 DMA Init */
        /* USART3_RX Init */
        hdma_usart3_rx.Instance = DMA1_Stream1;
        hdma_usart3_rx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4;
        hdma_usart3_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
        hdma_usart3_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
        hdma_usart3_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
        hdma_usart3_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
        hdma_usart3_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
        hdma_usart3_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
        hdma_usart3_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
        hdma_usart3_rx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;
        if (HAL_DMA_Init(&hdma_usart3_rx) != HAL_OK)
        {
            Error_Handler();
        }

        __HAL_LINKDMA(huart, hdmarx, hdma_usart3_rx);

        /* USART3_TX Init */
        hdma_usart3_tx.Instance = DMA1_Stream3;
        hdma_usart3_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4;
        hdma_usart3_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
        hdma_usart3_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
        hdma_usart3_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
        hdma_usart3_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
        hdma_usart3_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
        hdma_usart3_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
        hdma_usart3_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
        hdma_usart3_tx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;
        if (HAL_DMA_Init(&hdma_usart3_tx) != HAL_OK)
        {
            Error_Handler();
        }

        __HAL_LINKDMA(huart, hdmatx, hdma_usart3_tx);

        /* USART3 interrupt Init */
        HAL_NVIC_SetPriority(USART3_IRQn, 0, 0);
        HAL_NVIC_EnableIRQ(USART3_IRQn);
    }
}

三、串口收发流程

（1）接收数据的流程：
在这里插入图片描述

  • 首先在初始化的时候打开DMA接收
  • 当MCU通过USART接收外部发来的数据时，在进行第①②③步的时候，DMA直接将接收到的数据写入缓存rx_buffer[100] //接收数据缓存数组
  • 程序此时也不会进入接收中断，在软件上无需做任何事情，要在初始化配置的时候设置好配置就可以了。

（2）数据接收完成的流程：

  • 当数据接收完成之后产生接收空闲中断④
  • 在中断服务函数中：
      a：判断是否为IDLE接受空闲中断
      b：在中断服务函数中将接收完成标志位置1
      c：关闭DMA防止在处理数据时候接收数据，产生干扰。
      d：计算出接收缓存中的数据长度，清除中断位，
  • while循环 主程序流程：
      a：主程序中检测到接收完成标志被置1
      b：进入数据处理程序，现将接收完成标志位置0，
      c：将接收到的数据重新发送到上位机
      d：重新设置DMA下次要接收的数据字节数，使能DMA进入接收数据状态。

四、完整代码

1.uart.c文件

#include "uart.h"

volatile uint8_t rx_len = 0;            // 接收一帧数据的长度
volatile uint8_t recv_end_flag = 0;     // 一帧数据接收完成标志
uint8_t rx_buffer[100]={0};             // 接收数据缓存数组

void MX_USART3_UART_Init(void)
{
    /* DMA controller clock enable */
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

    huart3.Instance = USART3;
    huart3.Init.BaudRate = 115200;
    huart3.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart3.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart3.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart3.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    huart3.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart3.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    if (HAL_UART_Init(&huart3) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    /* DMA interrupt init */
    /* DMA1_Stream1_IRQn interrupt configuration */
    HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Stream1_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream1_IRQn);

    /* DMA1_Stream3_IRQn interrupt configuration */
    HAL_NVIC_SetPriority(DMA1_Stream3_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Stream3_IRQn);

    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart3, UART_IT_IDLE); //使能IDLE中断
    //DMA接收函数，此句一定要加，不加接收不到第一次传进来的实数据，是空的，且此时接收到的数据长度为缓存器的数据长度
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart3, rx_buffer, BUFFER_SIZE);
}

/**
 * @brief 串口发送功能函数
 * @param buf：发送数据
 * @param len：数据长度
 */
void DMA_Usart_Send(uint8_t *buf,uint8_t len)
{
    // 判断是否发送正常，如果出现异常则进入异常中断函数
    if (HAL_UART_Transmit_DMA(&huart3, buf, len) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

/**
 * @brief 串口接收功能函数
 * @param Data：接收数据
 * @param len：接收长度
 */
void DMA_Usart1_Read(uint8_t *Data,uint8_t len)
{
    // 重新打开DMA接收
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart3, Data, len);
}

/**
  * @brief This function handles DMA1 stream1 global interrupt.
  */
void DMA1_Stream1_IRQHandler(void)
{
    HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_usart3_rx);
}

/**
  * @brief This function handles DMA1 stream3 global interrupt.
  */
void DMA1_Stream3_IRQHandler(void)
{
    HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_usart3_tx);
}

/**
  * @brief This function handles USART3 global interrupt.
  */
void USART3_IRQHandler(void)
{
    uint32_t tmp_flag = 0;
    uint32_t temp;

    tmp_flag = __HAL_UART_GET_FLAG(&huart3, UART_FLAG_IDLE);    // 获取IDLE标志位
    if ((tmp_flag != RESET))                                    // idle标志被置位
    {
#if 1
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart3);                     // 清除标志位
#else
        temp = huart3.Instance->SR;                             // 清除状态寄存器SR,读取SR寄存器可以实现清除SR寄存器的功能
        temp = huart3.Instance->DR;                             // 读取数据寄存器中的数据
#endif

        HAL_UART_DMAStop(&huart3);                              // 停止DMA传输，防止干扰

#if 1
        temp = __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart3_rx);          // 获取DMA中未传输的数据个数
#else
        temp  = hdma_usart3_rx.Instance->NDTR;                  // 读取NDTR寄存器，获取DMA中未传输的数据个数，
#endif

        rx_len = BUFFER_SIZE - temp;                            // 总计数减去未传输的数据个数，得到已经接收的数据个数
        recv_end_flag = 1;                                      // 接受完成标志位置1
    }

    HAL_UART_Receive_DMA(&huart3, rx_buffer, BUFFER_SIZE);      // 重新打开DMA接收
    HAL_UART_IRQHandler(&huart3);
}

2.uart.h文件

#ifndef APPLICATIONS_UART_H_
#define APPLICATIONS_UART_H_

#include <rtthread.h>
#include <drv_common.h>

UART_HandleTypeDef huart3;
DMA_HandleTypeDef hdma_usart3_rx;
DMA_HandleTypeDef hdma_usart3_tx;

#define BUFFER_SIZE  100

extern  volatile uint8_t rx_len ;       // 接收一帧数据的长度
extern volatile uint8_t recv_end_flag;  // 一帧数据接收完成标志
extern uint8_t rx_buffer[100];          // 接收数据缓存数组

extern void MX_USART3_UART_Init(void);
extern void DMA_Usart_Send(uint8_t *buf,uint8_t len);
extern void DMA_Usart1_Read(uint8_t *Data,uint8_t len);

#endif /* APPLICATIONS_UART_H_ */

3.main.c文件

#include <rtthread.h>

#define DBG_TAG "main"
#define DBG_LVL DBG_LOG
#include <rtdbg.h>
#include <string.h>
#include "uart.h"

int main(void)
{
    int count = 1;

    MX_USART3_UART_Init();

    while (count)
    {
        if (recv_end_flag == 1)     // 接收完成标志
        {
            DMA_Usart_Send(rx_buffer, rx_len);
            rx_len = 0;             // 清除计数
            recv_end_flag = 0;      // 清除接收结束标志位
            memset(rx_buffer, 0, rx_len);
        }
    }

    return RT_EOK;
}

五、测试验证

  通过将程序下载到单片机中，可以使用串口助手来进行数据的发送，如下可以看到可以进行正常数据的收发，并且使用uart的DMA功能，可以更好的改善CPU的运行效率，并且也不用暂用CPU，加快器性能。
在这里插入图片描述

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