高效，可靠，安全的串口通訊開(kāi)源方案

大家好，我是小麥。

在嵌入式開(kāi)發(fā)中，經(jīng)常會(huì)用到串口通訊。面對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，需要不同的方案。

今天我們來(lái)講一下高效，可靠，安全的方案，記得看到最后，會(huì)有收獲。

常見(jiàn)的有串口輪詢模式，串口中斷模式，串口DMA接收傳輸?shù)鹊龋?/p>

利用串口的空閑中斷配合DMA的環(huán)形緩沖區(qū)模式，可以高效接收不固定長(zhǎng)度的消息報(bào)文

下圖中經(jīng)過(guò)黃色的高電平時(shí)間空閑之后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空閑事件，IDLE EVENT

空閑信號(hào)

因?yàn)镈MA功能有HC和TC中斷；

• HC  （Harf Complete）DMA傳輸一半成功標(biāo)志；
• TC   (Total Complete)  DMA傳輸完成成功標(biāo)志；

舉個(gè)例子；

如下圖所示，這里分配了一個(gè)DMA緩沖區(qū)，大小是12字節(jié)，如果從地址1開(kāi)始接收，會(huì)出現(xiàn)以下這兩種情況；

• DMA接收到第6個(gè)字節(jié)的時(shí)候，會(huì)觸發(fā)HC事件；
• DMA接收到第12個(gè)字節(jié)的時(shí)候，會(huì)觸發(fā)TC事件；

HC TC

這個(gè)思路其實(shí)我之前也有實(shí)踐過(guò)，但是沒(méi)有很好地利用HC和TC事件。

所以無(wú)法處理這種情況，即DMA緩沖區(qū)處于環(huán)形模式（Circular）的時(shí)候，數(shù)據(jù)覆蓋的問(wèn)題，最近看到了一個(gè)非常棒的開(kāi)源項(xiàng)目，這里的思路非常不錯(cuò)，下面會(huì)詳細(xì)介紹。

下面是DMA HC/DMA TC/Idle組合進(jìn)行串口接收的細(xì)節(jié)，如下圖所示；

來(lái)自原項(xiàng)目

再次簡(jiǎn)單介紹一下縮略詞的含義；

• R 讀?。?/li>
• W 寫(xiě)入；
• I 空閑信號(hào)；
• HT Half-Transfer complete DMA緩沖區(qū)半傳輸完成；
• TC Transfer-Complete DMA緩沖區(qū)全部接收完成；

這里簡(jiǎn)單介紹一下情況E的解決方案，上面圖片最右邊小圖；

• 緩沖區(qū)大小20格，這里假設(shè)20字節(jié)，情況E需要接收30個(gè)字節(jié)，也就是說(shuō)，10字節(jié)可能會(huì)被覆蓋；

• 經(jīng)過(guò)前面的四次接收后，串口繼續(xù)從字母R處接收數(shù)據(jù)至DMA緩沖區(qū)；

• 接收4字節(jié)時(shí)，會(huì)觸發(fā)TC事件，這時(shí)候可以將4字節(jié)數(shù)據(jù)處理；

  第一步

• 因?yàn)槭黔h(huán)形模式，所以回到第一個(gè)字節(jié)處，繼續(xù)接收10字節(jié)，觸發(fā)HT事件，這時(shí)候可以處理10字節(jié)數(shù)據(jù)；

  第二步

• 第三步，繼續(xù)接收10字節(jié)，觸發(fā)TC事件，其中，已經(jīng)有4字節(jié)被覆蓋（下圖橙色所示），因?yàn)橹斑@部分?jǐn)?shù)據(jù)已經(jīng)處理了，所以，即使覆蓋也不影響；

  第三步

• 第四步，上述已經(jīng)接收了24個(gè)字節(jié)，所以還有6個(gè)字節(jié)沒(méi)有接收，后面接收會(huì)產(chǎn)生空閑信號(hào)，并對(duì)之前的數(shù)據(jù)區(qū)域進(jìn)行覆蓋，如下圖示所示；

所以，不難發(fā)現(xiàn)，如果只使用空閑中斷，如果需要接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度大于緩沖區(qū)，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋的情況，而加上DMA的HT和TC中斷，就完美解決了這樣的問(wèn)題；

當(dāng)然除了這些，還有很多優(yōu)秀的方案，這個(gè)項(xiàng)目提供大量的例子。

項(xiàng)目地址：https://github.com/MaJerle/stm32-usart-uart-dma-rx-tx

項(xiàng)目主頁(yè)

目前這個(gè)項(xiàng)目主要支持主流的STM32芯片平臺(tái)和一些開(kāi)發(fā)板上的測(cè)試DEMO，具體如下所示；

支持平臺(tái)

相應(yīng)的例子程序如下所示，除了裸機(jī)程序，還有環(huán)形緩沖區(qū)接收，輪詢接收，DMA+空閑中斷基于RTOS的模式接收，挺豐富的，可以參考一下；

例子程序

作者在 STM32F413-Nucleo 開(kāi)發(fā)板進(jìn)行程序的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化效果很不錯(cuò)；

在115200的串口波特率下，每秒發(fā)送1581個(gè)字節(jié)，大約142ms;

• 不使用DMA，CPU負(fù)載14%；
• 使用DMA，CPU負(fù)載0%；

最后，這個(gè)項(xiàng)目目前是基于STM32CubeIDE創(chuàng)建的，記得搭建一下環(huán)境。如果無(wú)法下載，公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)【高效串口】獲取項(xiàng)目代碼。

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