一文搞定MCU高负载串口通信

一路上

一、前言

在单片机中，USART的通信一般都是最常用也最先去接触的串口外设，在一般的小数据量应用中一般不需要考虑USART串口（以下简称为串口）的高负载能力，比如打印一下log，接收几个其他设备的指令或者发送几个指令控制其他设备。但是在高速的大数据量的通信场合，串口可能会承载较高的数据负载，如果不合理的进行单片机的资源利用，可能造成各种问题。比如使用串口接收中断接收大量的数据，频繁的进入中断，会占用太多的CPU资源。这时可能会想到【空闲中断+DMA传输完成中断】的方式接收大量数据，但是这是一个极具风险的行为，假设一下，DMA数据传输结束之后，此时CPU开始读取DMA缓存中的数据，此时又有新的数据进来，新的数据就会覆盖之前的数据导致异常。


二、如何启用串口的DMA功能

在讨论如何高实现串口的高负载通信之前，我们得先明白如何启用串口的DMA通信。

DMA（Direct Memory Access）直接储存器访问，是一个CPU用于数据从一个地址空间到另一个地址空间的搬运组件，该过程无需CPU的干预，不占用CPU的资源，可以使单片机这种单线程CPU实现“伪多线程”。只需在数据搬运结束后通知CPU即可。

在国民的资料中是有串口+DMA的例程的，但是官方为了用户调试方便，例程相对简单，就是实现了两个MCU串口间的DMA通信，在开发时具有一定借鉴意义，但是不具备高负载能力，同时移植性不是很好，这里我在例程的基础上进行简化，同时例程不具备的功能也会一一展开。

1.串口+DMA发送

1. #define TxBufferSize1 (countof(TxBuffer1) - 1)
   
2. 
   
3. #define countof(a) (sizeof(a) / sizeof(*(a)))
   
4. 
   
5. USART_InitType USART_InitStructure;
   
6. 
   
7. uint8_t TxBuffer1[20] = {0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x11,0x12,0x13,0x14,0x15,0x16,0x17,0x18,0x19,0x1a};

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首先是定义一些相关的变量，数据和结构体啥的，TxBufferSize1 发送数量，TxBuffer1[20]发送的数组。

1. /**
   
2. * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url]  Configures the different system clocks.
   
3. */
   
4. void RCC_Configuration(void)
   
5. {
   
6.     /* DMA clock enable */
   
7.     RCC_EnableAHBPeriphClk(RCC_AHB_PERIPH_DMA, ENABLE);
   
8.     /* Enable GPIO clock */
   
9.     RCC_EnableAPB2PeriphClk(RCC_APB2_PERIPH_GPIOB, ENABLE);
   
10.     /* Enable USARTy and USARTz Clock */
    
11.     RCC_EnableAPB2PeriphClk(RCC_APB2_PERIPH_USART1, ENABLE);
    
12. }
    
13. 
    
14. 
    
15. /**
    
16. * [url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url]  Configures the different GPIO ports.
    
17. */
    
18. void GPIO_Configuration(void)
    
19. {

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对相关的时钟和串口的引脚进行初始化，这里是直接用的官方例程，只不过将官方例程的宏定义换成了实际的值，便于看代码，不然还需跳转，但是官方的例程这方面的可移植性会更好。

1. void DMA_Configuration(void)
   
2. {

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DMA的初始化采用NORMAL模式，即只发送一次，当计数器为0时便不再搬运数据。

1. void UART_Init(USART_Module* USARTx,uint32_t BaudRate)
   
2. 
   
3. {
   
4. 
   
5.     /* USARTy and USARTz configuration ------------------------------------------------------*/
   
6. 
   
7.     USART_StructInit(&USART_InitStructure);
   
8.     USART_InitStructure.BaudRate            = BaudRate;
   
9.     USART_InitStructure.WordLength          = USART_WL_8B;
   
10.     USART_InitStructure.StopBits            = USART_STPB_1;
    
11.     USART_InitStructure.Parity              = USART_PE_NO;
    
12.     USART_InitStructure.HardwareFlowControl = USART_HFCTRL_NONE;
    
13.     USART_InitStructure.Mode                = USART_MODE_RX | USART_MODE_TX;
    
14. 
    
15.     /* Configure USARTy and USARTz */
    
16.     USART_Init(USARTx, &USART_InitStructure);
    
17. 
    
18.     /* Enable USARTy DMA Rx and TX request */
    
19.     USART_EnableDMA(USARTx, USART_DMAREQ_RX | USART_DMAREQ_TX, ENABLE);
    
20. 
    
21.     /* Enable the USARTy and USARTz */
    
22.     USART_Enable(USARTx, ENABLE);
    
23. 
    
24. }

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串口的初始化。

1. void DMA_send(uint8_t* pBuffer,uint16_t BufferLength)
   
2. {
   
3.         DMA_EnableChannel(DMA_CH4, DISABLE);
   
4.         DMA_SetCurrDataCounter(DMA_CH4,BufferLength);
   
5.         DMA_EnableChannel(DMA_CH4, ENABLE);
   
6.         while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXDE) == RESET)
   
7.     {
   
8. 
   
9.     }

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DMA的发送函数，先失能DMA通道，再重新设置传输长度，再使能DMA通道，这里是检测while是检测串口的发送完成编制位，在官方的demo中检测的是DMA的通道完成标志，这个在这里面是不可以的，因为DMA的搬运速度是远大于串口的通信速度的，如果检测DMA通道完成标志，会导致DMA已经将数据搬运到串口的数据寄存器，但是因为串口的速度不够，导致此时数据还未送出，而因为例程只循环一次，在测试例程时看不出问题，但是这里会出问题。

1. int main(void)
   
2. {

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最后在主函数调用各初始化函数，在while (1)中循环发送便可实现最简单的串口+DMA发送。

2.串口+DMA接收

在上面发送的基础上我们加上DMA的接收功能，此处需要解释一下下面的操作：为了对应书册，上面的串口发送DMA通道原来是CH4，我下面全部改成CH1。

1. uint8_t RxBuffer1[20];

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定义一个数组用于接收串口数据。

1. USART_ConfigInt(USARTx, USART_INT_IDLEF, ENABLE);

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添加串口中断定义。

1. void NVIC_Configuration(void)
   
2. {
   
3. NVIC_InitType NVIC_InitStructure;
   
4. 
   
5. /* Enable the USARTz Interrupt */
   
6. NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;
   
7. NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
   
8. NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
   
9. NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
   
10. NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
11. }

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添加NVIC配置。

1. void DMA_Configuration(void)
   
2. {
   
3. DMA_InitType DMA_InitStructure;
   
4. 
   
5. /* USARTy TX DMA1 Channel (triggered by USARTy Tx event) Config */
   
6. DMA_DeInit(DMA_CH1);
   
7. DMA_StructInit(&DMA_InitStructure);
   
8. DMA_InitStructure.PeriphAddr = (USART1_BASE + 0x04);
   
9. DMA_InitStructure.MemAddr = (uint32_t)TxBuffer1;
   
10. DMA_InitStructure.Direction = DMA_DIR_PERIPH_DST;
    
11. DMA_InitStructure.BufSize = TxBufferSize1;
    
12. DMA_InitStructure.PeriphInc = DMA_PERIPH_INC_DISABLE;
    
13. DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MEM_INC_ENABLE;
    
14. DMA_InitStructure.PeriphDataSize = DMA_PERIPH_DATA_SIZE_BYTE;
    
15. DMA_InitStructure.MemDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
    
16. DMA_InitStructure.CircularMode = DMA_MODE_NORMAL;
    
17. DMA_InitStructure.Priority = DMA_PRIORITY_VERY_HIGH;
    
18. DMA_InitStructure.Mem2Mem = DMA_M2M_DISABLE;
    
19. DMA_Init(DMA_CH1, &DMA_InitStructure);
    
20. DMA_RequestRemap(DMA_REMAP_USART1_TX, DMA, DMA_CH1, ENABLE);
    
21. DMA_DeInit(DMA_CH2);
    
22. DMA_InitStructure.PeriphAddr = (USART1_BASE + 0x04);
    
23. DMA_InitStructure.MemAddr = (uint32_t)RxBuffer1;
    
24. DMA_InitStructure.Direction = DMA_DIR_PERIPH_SRC;
    
25. DMA_InitStructure.BufSize = TxBufferSize1;
    
26. DMA_Init(DMA_CH2, &DMA_InitStructure);
    
27. DMA_RequestRemap(DMA_REMAP_USART1_RX, DMA, DMA_CH2, ENABLE);
    
28. }

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添加DMA的接收，并将通道设置为CH2。

1. void DMA_Revice(uint16_t BufferLength)
   
2. {
   
3. DMA_EnableChannel(DMA_CH2, DISABLE);
   
4. DMA_SetCurrDataCounter(DMA_CH2,BufferLength);
   
5. DMA_EnableChannel(DMA_CH2, ENABLE);

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添加DMA接收函数

1. void USART1_IRQHandler(void)
   
2. {
   
3. if (USART_GetIntStatus(USART1, USART_INT_IDLEF) != RESET)
   
4. {
   
5. /*软件先读 USART_STS，再读 USART_DAT 清除空闲中断标志。*/
   
6. USART1->STS;
   
7. USART1->DAT;
   
8. for(int i=0;i<20;i++)
   
9. {

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添加串口中断函数，在串口中断函数中将接收的数据传给DMA发送数组，再通过DMA的方式发送出来用于校验结果。

通过串口助手可观测数据正确。至此，常见的串口+DMA的发送与接收完成。后文将实现高负载的通信。

三、高负载情况下的DMA如何实现

在串口数据量较大时，一般使用双BUf,很多单片机有硬件双缓冲，DMA的目标储存区域有两个，当一次完整的数据传输结束后，也就是counter值变为0时，DMA会自动将数据指向另一块区域。这样用户就有时间去处理刚存满的buf，而不会被覆盖。就是“乒乓缓存”。

普通DMA

DMA双缓冲

大致流程如下：
1.串口有数据到来，DMA现将数据储存在内存1，完成后通知CPU过来处理数据。
2.此时DMA不停下，开始将后续的数据搬运到内存2。
3.内存2的数据搬运完成，通知CPU开始处理内存2中的数据。
4.如果数据传输还未结束，此时DMA会将数据储存在内存1。如此循环，直至没有数据到来。


但是遗憾的是N32G435这块芯片不具备双缓冲模式，那么我们可以主动控制DMA跳转内存区域。利用“传输过半中断”来模拟双缓冲模式。

大致流程如下：
1.DMA完成搬运一半的数据时，产生一个传输过半中断，此时我们让CPU来处理上一半数据。
2.DMA数据搬运未停止，此时继续搬运后一半数据，此操作不会影响前面一半的数据处理。
3.DMA数据搬运完，触发传输完成中断，这时CPU可以处理后半数据。
4.如果数据传输还未结束，DMA继续将数据向前半搬运，如此循环。

代码讲解如下：

以下代码完整流程如下：

1.配置串口波特率2.5M，DMA的BufSize设置为40，开启传输过半中断，传输完成中断，串口空闲中断。
2.启动DMA接收。
3.通过串口助手发送80个数据到串口。
4.当DMA接收数组接收到20个数据触发传输过半中断，跳转中断函数将20个数据存放到数组中。
5.此时DMA仍在运行，但是数据存放在DMA接收数组的后20个地址空间。
6.当DMA接收数组填满，触发DMA传输完成中断，跳转中断函数将后20个数据保存，此时DMA一共搬运了40个数据。
7.DMA继续搬运数据到接收数组里，此时会覆盖之前的前二十个数据，跳转到步骤4.
8.接收完80个数据，此时触发串口空闲中断，将接收到的数据打印出来。

在上面代码基础上做如下操作：

1.将DMA CH2通道设置为循环模式，测试阶段将BufSize设置为40，开启传输过半中断和传输完成中断。同时为了测试高速场景，串口波特率设置为2.5M：

1. DMA_DeInit(DMA_CH2);

复制代码

1. UART_Init(USART1,2500000);

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2.NVIC设置DMA通道中断

1. void NVIC_Configuration(void)
   
2. {
   
3. NVIC_InitType NVIC_InitStructure;

复制代码

3.添加DMA的CH2中断函数，num为全局变量，目的是将所有的数据保存进buf数组：

1. void DMA_Channel2_IRQHandler(void)
   
2. {
   
3. //传输半满
   
4. if(DMA_GetIntStatus(DMA_INT_HTX2,DMA) == SET)
   
5. {
   
6. DMA_ClrIntPendingBit(DMA_INT_HTX2,DMA);
   
7. DMA_ClearFlag(DMA_FLAG_HT2,DMA);
   
8. for(int i=0;i<20;i++)
   
9. {
   
10. buf[num] = buffer[i];
    
11. num++;
    
12. }
    
13. }
    
14. //传输满
    
15. if(DMA_GetIntStatus(DMA_INT_TXC2,DMA) == SET)
    
16. {
    
17. DMA_ClrIntPendingBit(DMA_INT_TXC2,DMA);
    
18. DMA_ClearFlag(DMA_FLAG_TC2,DMA);
    
19. for(int i=20;i<40;i++)
    
20. {
    
21. buf[num] = buffer[i];
    
22. num++;
    
23. }
    
24. }
    
25. }

复制代码

4.在串口空闲中断中将收到的数据全部打印出来。

1. void USART1_IRQHandler(void)
   
2. {
   
3. if (USART_GetIntStatus(USART1, USART_INT_IDLEF) != RESET)
   
4. {
   
5. /*软件先读 USART_STS，再读 USART_DAT 清除空闲中断标志。*/
   
6. USART1->STS;
   
7. USART1->DAT;
   
8. for(int i=0;i<80;i++)
   
9. {
   
10. TxBuffer1[i] = buf[i];
    
11. 
    
12. }
    
13. DMA_send(80);
    
14. num=0;
    
15. }
    
16. }

复制代码

5.测试结果如下，在2.5M波特率的情况下保持数据完整。

写在最后：

这次主要讨论了一种高负载情况下如何缓解CPU压力的方法，所言所写不尽完善，例如不定数据接收，就可以通过DMA_GetCurrDataCounter(DMA_CH2);函数进行传输数据的统计计算，这点大家可以自由发挥，现实可能遇到的问题是多种多样的，主要在于关键能力的拓展。更多的还需要根据实际情况灵活配置。

工程放在附件里。