基于DMA的串口通信
使用HAL库(或标准库)方式,设置USART1 波特率为115200,1位停止位,无校验位,分别采用中断方式、DMA方式完成下列任务:STM32系统给上位机(win10)连续发送“hello windows!”;当上位机给stm32发送字符“stop”后,stm32暂停发送“hello windows!”;发送一个字符“start”后,stm32继续发送;
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前言
DMA的基本介绍
直接存储器访问(Direct Memory Access),简称DMA。DMA是CPU一个用于数据从一个地址空间到另一地址空间“搬运”(拷贝)的组件,数据拷贝过程不需CPU干预,数据拷贝结束则通知CPU处理。因此,大量数据拷贝时,使用DMA可以释放CPU资源。DMA数据拷贝过程,典型的有:
- 内存—>内存,内存间拷贝
- 外设—>内存,如uart、spi、i2c等总线接收数据过程
- 内存—>外设,如uart、spi、i2c等总线发送数据过程
因此:转移数据(尤其是转移大量数据)是可以不需要CPU参与。比如希望外设A的数据拷贝到外设B,只要给两种外设提供一条数据通路,直接让数据由A拷贝到B 不经过CPU的处理,
DMA就是基于以上设想设计的,它的作用就是解决大量数据转移过度消耗CPU资源的问题。有了DMA使CPU更专注于更加实用的操作–计算、控制等。
DMA传输参数
我们知道,数据传输,首先需要的是1 数据的源地址 2 数据传输位置的目标地址 ,3 传递数据多少的数据传输量 ,4 进行多少次传输的传输模式 DMA所需要的核心参数,便是这四个。
当用户将参数设置好,主要涉及源地址、目标地址、传输数据量这三个,DMA控制器就会启动数据传输,当剩余传输数据量为0时 达到传输终点,结束DMA传输 ,当然,DMA 还有循环传输模式 当到达传输终点时会重新启动DMA传输。
也就是说只要剩余传输数据量不是0,而且DMA是启动状态,那么就会发生数据传输。
DMA的主要特征
每个通道都直接连接专用的硬件DMA请求,每个通道都同样支持软件触发。这些功能通过软件来配置;
- 在同一个DMA模块上,多个请求间的优先权可以通过软件编程设置(共有四级:很高、高、中等和低),优先权设置相等时由硬件决定(请求0优先于请求1,依此类推);
- 独立数据源和目标数据区的传输宽度(字节、半字、全字),模拟打包和拆包的过程。源和目标地址必须按数据传输宽度对齐;
- 支持循环的缓冲器管理;
- 每个通道都有3个事件标志(DMA半传输、DMA传输完成和DMA传输出错),这3个事件标志逻辑或成为一个单独的中断请求;
- 存储器和存储器间的传输、外设和存储器、存储器和外设之间的传输;
闪存、SRAM、外设的SRAM、APB1、APB2和AHB外设均可作为访问的源和目标; - 可编程的数据传输数目:最大为65535。
DMA传输
- DMA传输时外设对DMA控制器发出请求。
- DMA控制器收到请求,触发DMA工作。
- DMA控制器从AHB外设获取ADC采集的数据,存储到DMA通道中
- DMA控制器的DMA总线与总线矩阵协调,使用AHB把外设ADC采集的数据经由DMA通道存放到SRAM中,这个数据的传输过程中,完全不需要内核的参与,也就是不需要CPU的参与,
我们把上面的步骤专业一点介绍:
在发生一个事件后,外设向DMA控制器发送一个请求信号。DMA控制器根据通道的优先权处理请求。当DMA控制器开始访问发出请求的外设时,DMA控制器立即发送给它一个应答信号。当从DMA控制器得到应答信号时,外设立即释放它的请求。一旦外设释放了这个请求,DMA控制器同时撤销应答信号。DMA传输结束,如果有更多的请求时,外设可以启动下一个周期。
总之,每次DMA传送由3个操作组成:
- 从外设数据寄存器或者从当前外设/存储器地址寄存器指示的存储器地址取数据,第一次传输时的开始地址是DMA_CPARx或DMA_CMARx寄存器指定的外设基地址或存储器单元;
- 存数据到外设数据寄存器或者当前外设/存储器地址寄存器指示的存储器地址,第一次传输时的开始地址是DMA_CPARx或DMA_CMARx寄存器指定的外设基地址或存储器单元;
- 执行一次DMA_CNDTRx寄存器的递减操作,该寄存器包含未完成的操作数目。
DMA传输方式
方法1:DMA_Mode_Normal,正常模式
当一次DMA数据传输完后,停止DMA传送 ,也就是只传输一次
方法2: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
仲裁器
仲裁器的作用是确定各个DMA传输的优先级
仲裁器根据通道请求的优先级来启动外设/存储器的访问。
优先权管理分2个阶段:
软件:每个通道的优先权可以在DMA_CCRx寄存器中设置,有4个等级:
- 最高优先级
- 高优先级
- 中等优先级
- 低优先级
硬件:如果2个请求有相同的软件优先级,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。
注意: 在大容量产品和互联型产品中,DMA1控制器拥有高于DMA2控制器的优先级。
指针递增模式
根据 DMA_SxCR 寄存器中 PINC 和 MINC 位的状态,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
通过单个寄存器访问外设源或目标数据时,禁止递增模式十分有用。
如果使能了递增模式,则根据在 DMA_SxCR 寄存器 PSIZE 或 MSIZE 位中编程的数据宽度,下一次传输的地址将是前一次传输的地址递增 1个数据宽度、2个数据宽度或 4个数据宽度。
存储器到存储器模式
DMA通道的操作可以在没有外设请求的情况下进行,这种操作就是存储器到存储器模式。
当设置了DMA_CCRx寄存器中的MEM2MEM位之后,在软件设置了DMA_CCRx寄存器中的EN位启动DMA通道时,DMA传输将马上开始。当DMA_CNDTRx寄存器变为0时,DMA传输结束。
存储器到存储器模式不能与循环模式同时使用。
这里要注意仅 DMA2 的外设接口可以访问存储器,所以仅 DMA2 控制器支持存储器到存储器的传输,DMA1 不支持。
DMA中断
每个DMA通道都可以在DMA传输过半、传输完成和传输错误时产生中断。为应用的灵活性考虑,通过设置寄存器的不同位来打开这些中断。
使没开启,我们也可以通过查询这些位来获得当前 DMA 传输的状态。这里我们常用的是 TCIFx位,即数据流 x 的 DMA 传输完成与否标志。
DMA库函数配置过程
1、使能DMA时钟:RCC_AHBPeriphClockCmd();
2、初始化DMA通道:DMA_Init();
//设置通道;传输地址;传输方向;传输数据的数目;传输数据宽度;传输模式;优先级;是否开启存储器到存储器。
3、使能外设DMA;
4、使能DMA通道传输;
5、查询DMA传输状态。
提示:以下是本篇文章正文内容,下面案例可供参考
一、串口有必要使用DMA吗
串口(uart)是一种低速的串行异步通信,适用于低速通信场景,通常使用的波特率小于或等于115200bps。对于小于或者等于115200bps波特率的,而且数据量不大的通信场景,一般没必要使用DMA,或者说使用DMA并未能充分发挥出DMA的作用。
对于数量大,或者波特率提高时,必须使用DMA以释放CPU资源,因为高波特率可能带来这样的问题:
- 对于发送,使用循环发送,可能阻塞线程,需要消耗大量CPU资源“搬运”数据,浪费CPU
- 对于发送,使用中断发送,不会阻塞线程,但需浪费大量中断资源,CPU频繁响应中断;以115200bps波特率,1s传输11520字节,大约69us需响应一次中断,如波特率再提高,将消耗更多CPU资源
- 对于接收,如仍采用传统的中断模式接收,同样会因为频繁中断导致消耗大量CPU资源
因此,高波特率场景下,串口非常有必要使用DMA。
二、实现方式
2.1 整体设计图:
2.2 串口DMA接收基本流程
串口接收流程图:
2.3 相关配置
关键步骤
【1】初始化串口
【2】使能串口DMA接收模式,使能串口空闲中断
【3】配置DMA参数,使能DMA通道buf半满(传输一半数据)中断、buf溢满(传输数据完成)中断
为什么需要使用DMA 通道buf半满中断?
很多串口DMA模式接收的教程、例子,基本是使用了“空间中断”+“DMA传输完成中断”来接收数据。实质上这是存在风险的,当DMA传输数据完成,CPU介入开始拷贝DMA通道buf数据,如果此时串口继续有数据进来,DMA继续搬运数据到buf,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。
严谨的做法需要做双buf,CPU和DMA各自一块内存交替访问,即是"乒乓缓存” ,处理流程步骤应该是这样:
【1】第一步,DMA先将数据搬运到buf1,搬运完成通知CPU来拷贝buf1数据
【2】第二步,DMA将数据搬运到buf2,与CPU拷贝buf1数据不会冲突
【3】第三步,buf2数据搬运完成,通知CPU来拷贝buf2数据
【4】执行完第三步,DMA返回执行第一步,一直循环
三、通过CubeMX创建项目
下面我们将介绍CubeMx 如何创建DMA
具体流程如下:
我们以USART1 的DMA传输为例
打开CubeMX,选择STM32F103C8T6型号后创建项目
3.1 配置系统时钟RCC
设置高速外部时钟HSE 选择外部时钟源
3.2 设置串口USART1
- 选择异步通信
- 参数选择默认
- 添加两个通道 USART1_RX/USART_TX
- NVIC Settings 一栏使能接收中断
3.4 DMA设置
根据DMA通道预览可以知道,我们用的USART1 的TX RX 分别对应DMA1 的通道4和通道5
- 点击DMASettings 点击 Add 添加通道
- 选择USART_RX USART_TX 传输速率设置为中速
- DMA传输模式为正常模式
- DMA内存地址自增,每次增加一个Byte(字节)
(1)DMA基础设置
右侧点击System Core 点击DMA
DMA Request : DMA传输的对应外设
注意: 如果你是在DMA设置界面添加DMA 而没有开启对应外设的话 ,默认为MENTOMEN
Channel DMA传输通道设置
DMA1 : DMA1 Channel 0~DMA1 Channel 7
DMA2: DMA2 Channel 1~DMA1 Channel 5
Dirction : DMA传输方向
四种传输方向:
外设到内存 Peripheral To Memory
内存到外设 Memory To Peripheral
内存到内存 Memory To Memory
外设到外设 Peripheral To Peripheral
Priority: 传输速度
最高优先级 Very Hight
高优先级 Hight
中等优先级 Medium
低优先级;Low
(2)DMA传输模式
Normal:正常模式
当一次DMA数据传输完后,停止DMA传送 ,也就是只传输一次
Circular: 循环模式
传输完成后又重新开始继续传输,不断循环永不停止
(3)DMA指针递增设置
Increment Address:地址指针递增(上方有介绍)。
左侧Src Memory 表示外设地址寄存器
功能:设置传输数据的时候外设地址是不变还是递增。如果设置 为递增,那么下一次传输的时候地址加 Data Width个字节
右侧Dst Memory 表示内存地址寄存器
功能:设置传输数据时候内存地址是否递增。如果设置 为递增,那么下一次传输的时候地址加 Data Width个字节
这个Src Memory一样,只不过针对的是内存。
串口发送数据是将数据不断存进固定外设地址串口的发送数据寄存器(USARTx_TDR)。所以外设的地址是不递增。
而内存储器存储的是要发送的数据,所以地址指针要递增,保证数据依次被发出
串口数据发送寄存器只能存储8bit,每次发送一个字节,所以数据长度选择Byte。
就是要注意DMA的传输方向别弄错了,到底是PERIPHERIAL到MEMORY还是MEMORY到PERIPHERIAL或者说是Memory到Memory要配置正确。尤其是在用CubeMx配置时,这里有个默认配置是PERIPHERIAL到MEMORY。如果说你的真实意图根本不是从PERIPHERIAL到MEMORY,而你无意中使用了这个默认配置,结果可想而知,DMA传输根本没法正常运行。
(4)时钟源设置
我的是 外部晶振为8MHz
- 1选择外部时钟HSE 8MHz
- 2PLL锁相环倍频9倍
- 3系统时钟来源选择为PLL
- 4设置APB1分频器为 /2
- 5 使能CSS监视时钟
3.5 创建项目
- 1 设置项目名称
- 2 设置存储路径
- 3 选择所用IDE
3.6 测试例程1
在main.C中添加:
/* USER CODE BEGIN Init */
uint8_t Senbuff[] = "hello windows!\n" //定义数据发送数组
/* USER CODE END Init */
while循环:
while (1)
{
/* USER CODE END WHILE */
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, (uint8_t *)Senbuff, sizeof(Senbuff));
HAL_Delay(1000);
/* USER CODE BEGIN 3 */
}
口助手测试正常:
注意:如果不开启串口中断,则程序只能发送一次数据,程序不能判断DMA传输是否完成,USART一直处于busy状态。
四、代码编写
4.1 HAL库UARTDMA函数库介绍
1、串口发送/接收函数
-
HAL_UART_Transmit();串口发送数据,使用超时管理机制
-
HAL_UART_Receive();串口接收数据,使用超时管理机制
-
HAL_UART_Transmit_IT();串口中断模式发送
-
HAL_UART_Receive_IT();串口中断模式接收
-
HAL_UART_Transmit_DMA();串口DMA模式发送
-
HAL_UART_Transmit_DMA();串口DMA模式接收
-
HAL_UART_DMAPause() 暂停串口DMA
-
HAL_UART_DMAResume();恢复串口DMA
-
HAL_UART_DMAStop(); 结束串口DMA
因为这部分函数在讲解USART的时候就已经讲解了,所以我们这里不做过多介绍,如果不同的话请看UART的对应博文,很详细。
串口DMA发送数据:
HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)
功能:
串口通过DMA发送指定长度的数据。
参数:
- UART_HandleTypeDef *huart UATR的别名 如 : UART_HandleTypeDef huart1; 别名就是huart1
- *pData 需要发送的数据
- Size 发送的字节数
举例:
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, (uint8_t *)Senbuff, sizeof(Senbuff)); //串口发送Senbuff数组
串口DMA恢复函数
HAL_UART_DMAResume(&huart1)
作用: 恢复DMA的传输
返回值: 0 正在恢复 1 完成DMA恢复
4.2 主要函数
主要用到的函数:
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)
/*
@parameter1:串口句柄
@parameter2:目标缓存区
@parameter3:接收长度,这个接收长度一般设置大于我们所要的不定长数据长度
@note:此函数实现了:设置空闲中断模式、调用UART_Start_Receive_DMA函数、空闲中断使能
*/
HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
/*
@note:空闲中断回调函数
*/
4.3 代码实现
main.c代码:
/* USER CODE BEGIN Header */
/**
******************************************************************************
* @file : main.c
* @brief : Main program body
******************************************************************************
* @attention
*
* Copyright (c) 2023 STMicroelectronics.
* All rights reserved.
*
* This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
* in the root directory of this software component.
* If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
*
******************************************************************************
*/
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "dma.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#include <stdio.h>
#include <string.h>
//#include "stm32f1xx_hal.c"
extern DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_tx;
/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
/* 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 ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PV */
/* USER CODE END PV */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
/* USER CODE END PFP */
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
/* USER CODE END 0 */
uint8_t order[5]="";//下位机接收的start 和stop命令
//uint8_t *order="";//用这个会报错,因为strcmp函数
uint8_t *sendData ="feifei hello windows!\n";
uint8_t flag=1;//标志 0:停止发送 1.开始发送
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_DMA_Init();
MX_USART1_UART_Init();
//接收命令的函数,接收后产生空闲中断进入中断服务函数HAL_UARTEx_RxEventCallback
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1,order,5);
while (1)
{
if (flag)
{
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, sendData, strlen(sendData)); //以DMA模式给上位机发数据
}
HAL_Delay(1000);
}
}
//关于串口空闲中断的回调函数
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
if(huart==&huart1)
{
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, order, strlen(order));//下位机接收命令
}
if(!strcmp(order, "start"))
{
flag = 1;
}
if(!strcmp(order, "stop!"))
{
flag = 0;
}
//继续接收命令 重新设置中断
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, order, strlen(order));
}
/**
* @brief System Clock Configuration
* @retval None
*/
void SystemClock_Config(void)
{
RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};
/** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
* in the RCC_OscInitTypeDef structure.
*/
RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
/** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
*/
RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
/* USER CODE BEGIN 4 */
/* USER CODE END 4 */
/**
* @brief This function is executed in case of error occurrence.
* @retval None
*/
void Error_Handler(void)
{
/* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
/* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
__disable_irq();
while (1)
{
}
/* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}
#ifdef USE_FULL_ASSERT
/**
* @brief Reports the name of the source file and the source line number
* where the assert_param error has occurred.
* @param file: pointer to the source file name
* @param line: assert_param error line source number
* @retval None
*/
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
/* USER CODE BEGIN 6 */
/* User can add his own implementation to report the file name and line number,
ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
/* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */
4.4 实验现象
发送start,串口向上位机发送字符串"feifei hello windows!\n"
发送 stop! ,串口停止向上位机发送
总结
1.了解串口通信原理
串口协议定义了数据传输格式,RS-232标准规定了串口电平。这为串口通信奠定了基础。
2.掌握配置串口的参数
正确设置串口波特率、数据位、停止位和校验位等参数是实现通信的关键。
3.选择合适的通信方式
DMA方式可以减轻CPU负担,但需要掌握DMA初始化配置。
通过这次实验,我掌握了串口通信的基本原理和配置方法,了解到使用DMA可以有效减轻CPU负担。学习到如何编写可靠的通信程序以及调试测试的重要性。这为我学习奠定了基础。
总之,这次实验让我深入理解了串口通信的工作机制,并掌握了相关配置与编程方法,对我今后的学习和工作很有帮助。
参考
STM32-CubeMx-HAL库-串口空闲中断+DMA——利用HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA实现不定长数据接收
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