如何有效地使用串口通訊接收數(shù)據(jù)

引言

在使用stm32或者其他單片機的時候，會經(jīng)常使用到串口通訊，那么如何有效地接收數(shù)據(jù)呢？假如這段數(shù)據(jù)是不定長的有如何高效接收呢？

同學(xué)A：數(shù)據(jù)來了就會進入串口中斷，在中斷中讀取數(shù)據(jù)就行了！

中斷就是打斷程序正常運行，怎么能保證高效呢？經(jīng)常把主程序打斷，主程序還要不要運行了？

同學(xué)B：串口可以配置成用DMA的方式接收數(shù)據(jù)，等接收完畢就可以去讀取了！

這個同學(xué)是對的，我們可以使用DMA去接收數(shù)據(jù)，不過DMA需要定長才能產(chǎn)生接收中斷,如何接收不定長的數(shù)據(jù)呢？

DMA簡介

題外話：其實，上面的問題是很有必要思考一下的，不斷思考，才能進步。

什么是DMA

DMA ：全稱Direct Memory Access，即直接存儲器訪問

DMA 傳輸將數(shù)據(jù)從一個地址空間復(fù)制到另外一個地址空間。CPU只需初始化DMA即可，傳輸動作本身是由 DMA 控制器來實現(xiàn)和完成。典型的例子就是移動一個外部內(nèi)存的區(qū)塊到芯片內(nèi)部更快的內(nèi)存區(qū)。這樣的操作并沒有讓處理器參與處理，CPU可以干其他事情，當(dāng)DMA傳輸完成的時候產(chǎn)生一個中斷，告訴CPU我已經(jīng)完成了，然后CPU知道了就可以去處理數(shù)據(jù)了，這樣子提高了CPU的利用率，因為CPU是大腦，主要做數(shù)據(jù)運算的工作，而不是去搬運數(shù)據(jù)。DMA 傳輸對于高效能嵌入式系統(tǒng)算法和網(wǎng)絡(luò)是很重要的。

在STM32的DMA資源

STM32F1系列的MCU有兩個DMA控制器（DMA2只存在于大容量產(chǎn)品中），DMA1有7個通道，DMA2有5個通道，每個通道專門用來管理來自于一個或者多個外設(shè)對存儲器的訪問請求。還有一個仲裁器來協(xié)調(diào)各個DMA請求的優(yōu)先權(quán)。

STM32F1

STM32F1

而STM32F4/F7/H7系列的MCU有兩個DMA控制器總共有16個數(shù)據(jù)流（每個DMA控制器8個），每一個DMA控制器都用于管理一個或多個外設(shè)的存儲器訪問請求。每個數(shù)據(jù)流總共可以有多達8個通道（或稱請求）。每個通道都有一個仲裁器，用于處理 DMA 請求間的優(yōu)先級。

STM32F4

STM32F4

DMA接收數(shù)據(jù)

DMA在接收數(shù)據(jù)的時候，串口接收DMA在初始化的時候就處于開啟狀態(tài)，一直等待數(shù)據(jù)的到來，在軟件上無需做任何事情，只要在初始化配置的時候設(shè)置好配置就可以了。等到接收到數(shù)據(jù)的時候，告訴CPU去處理即可。

判斷數(shù)據(jù)接收完成

那么問題來了，怎么知道數(shù)據(jù)是否接收完成呢？

其實，有很多方法：

• 對于定長的數(shù)據(jù)，只需要判斷一下數(shù)據(jù)的接收個數(shù)，就知道是否接收完成，這個很簡單，暫不討論。
• 對于不定長的數(shù)據(jù)，其實也有好幾種方法，麻煩的我肯定不會介紹，有興趣做復(fù)雜工作的同學(xué)可以在網(wǎng)上看看別人怎么做，下面這種方法是最簡單的，充分利用了stm32的串口資源，效率也是非常之高。

DMA+串口空閑中斷

這兩個資源配合，簡直就是天衣無縫啊，無論接收什么不定長的數(shù)據(jù)，管你數(shù)據(jù)有多少，來一個我就收一個，就像廣東人吃“山竹”，來一個吃一個~（最近風(fēng)好大，我好怕）。

可能很多人在學(xué)習(xí)stm32的時候，都不知道idle是啥東西，先看看stm32串口的狀態(tài)寄存器：

idle

idle說明

當(dāng)我們檢測到觸發(fā)了串口總線空閑中斷的時候，我們就知道這一波數(shù)據(jù)傳輸完成了，然后我們就能得到這些數(shù)據(jù)，去進行處理即可。這種方法是最簡單的，根本不需要我們做多的處理，只需要配置好，串口就等著數(shù)據(jù)的到來，dma也是處于工作狀態(tài)的，來一個數(shù)據(jù)就自動搬運一個數(shù)據(jù)。

接收完數(shù)據(jù)時處理

串口接收完數(shù)據(jù)是要處理的，那么處理的步驟是怎么樣呢？

• 暫時關(guān)閉串口接收DMA通道，有兩個原因：1.防止后面又有數(shù)據(jù)接收到，產(chǎn)生干擾，因為此時的數(shù)據(jù)還未處理。2.DMA需要重新配置。
• 清DMA標(biāo)志位。
• 從DMA寄存器中獲取接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)（可有可無）。
• 重新設(shè)置DMA下次要接收的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，注意，數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量范圍為0至65535。這個寄存器只能在通道不工作(DMA_CCRx的EN=0)時寫入。通道開啟后該寄存器變?yōu)橹蛔x，指示剩余的待傳輸字節(jié)數(shù)目。寄存器內(nèi)容在每次DMA傳輸后遞減。數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，寄存器的內(nèi)容或者變?yōu)?；或者當(dāng)該通道配置為自動重加載模式時，寄存器的內(nèi)容將被自動重新加載為之前配置時的數(shù)值。當(dāng)寄存器的內(nèi)容為0時，無論通道是否開啟，都不會發(fā)生任何數(shù)據(jù)傳輸。
• 給出信號量，發(fā)送接收到新數(shù)據(jù)標(biāo)志，供前臺程序查詢。
• 開啟DMA通道，等待下一次的數(shù)據(jù)接收，注意，對DMA的相關(guān)寄存器配置寫入，如重置DMA接收數(shù)據(jù)長度，必須要在關(guān)閉DMA的條件進行，否則操作無效。

注意事項

STM32的IDLE的中斷在串口無數(shù)據(jù)接收的情況下，是不會一直產(chǎn)生的，產(chǎn)生的條件是這樣的，當(dāng)清除IDLE標(biāo)志位后，必須有接收到第一個數(shù)據(jù)后，才開始觸發(fā)，一斷接收的數(shù)據(jù)斷流，沒有接收到數(shù)據(jù)，即產(chǎn)生IDLE中斷。如果中斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀的速率很快，MCU來不及處理此次接收到的數(shù)據(jù)，中斷又發(fā)來數(shù)據(jù)的話，這里不能開啟，否則數(shù)據(jù)會被覆蓋。有兩種方式解決：

1. 在重新開啟接收DMA通道之前，將Rx_Buf緩沖區(qū)里面的數(shù)據(jù)復(fù)制到另外一個數(shù)組中，然后再開啟DMA，然后馬上處理復(fù)制出來的數(shù)據(jù)。
2. 建立雙緩沖，重新配置DMA_MemoryBaseAddr的緩沖區(qū)地址，那么下次接收到的數(shù)據(jù)就會保存到新的緩沖區(qū)中，不至于被覆蓋。

程序?qū)崿F(xiàn)

實驗效果：

當(dāng)外部給單片機發(fā)送數(shù) 據(jù)的時候，假設(shè)這幀數(shù)據(jù)長度是1000個字節(jié)，那么在單片機接收到一個字節(jié)的時候并不會產(chǎn)生串口中斷，只是DMA在背后默默地把數(shù)據(jù)搬運到你指定的緩沖區(qū)里面。當(dāng)整幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后串口才會產(chǎn)生一次中斷，此時可以利用DMA_GetCurrDataCounter()函數(shù)計算出本次的數(shù)據(jù)接受長度，從而進行數(shù)據(jù)處理。

串口的配置

很簡單，基本與使用串口的時候一致，只不過一般我們是打開接收緩沖區(qū)非空中斷，而現(xiàn)在是打開空閑中斷——USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_IDLE, ENABLE);。

/**
  * @brief  USART GPIO 配置,工作參數(shù)配置
  * @param  無
  * @retval 無
  */
void USART_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    // 打開串口GPIO的時鐘
    DEBUG_USART_GPIO_APBxClkCmd(DEBUG_USART_GPIO_CLK, ENABLE);

    // 打開串口外設(shè)的時鐘
    DEBUG_USART_APBxClkCmd(DEBUG_USART_CLK, ENABLE);

    // 將USART Tx的GPIO配置為推挽復(fù)用模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_TX_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(DEBUG_USART_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

  // 將USART Rx的GPIO配置為浮空輸入模式
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DEBUG_USART_RX_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(DEBUG_USART_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

    // 配置串口的工作參數(shù)
    // 配置波特率
    USART_InitStructure.USART_BaudRate = DEBUG_USART_BAUDRATE;
    // 配置 針數(shù)據(jù)字長
    USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
    // 配置停止位
    USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
    // 配置校驗位
    USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ;
    // 配置硬件流控制
    USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = 
    USART_HardwareFlowControl_None;
    // 配置工作模式，收發(fā)一起
    USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
    // 完成串口的初始化配置
    USART_Init(DEBUG_USARTx, &USART_InitStructure);
    // 串口中斷優(yōu)先級配置
    NVIC_Configuration();

#if USE_USART_DMA_RX 
    // 開啟 串口空閑IDEL 中斷
    USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_IDLE, ENABLE);  
  // 開啟串口DMA接收
    USART_DMACmd(DEBUG_USARTx, USART_DMAReq_Rx, ENABLE); 
    /* 使能串口DMA */
    USARTx_DMA_Rx_Config();
#else
    // 使能串口接收中斷
    USART_ITConfig(DEBUG_USARTx, USART_IT_RXNE, ENABLE);    
#endif

#if USE_USART_DMA_TX 
    // 開啟串口DMA發(fā)送
//    USART_DMACmd(DEBUG_USARTx, USART_DMAReq_Tx, ENABLE); 
    USARTx_DMA_Tx_Config();
#endif

    // 使能串口
    USART_Cmd(DEBUG_USARTx, ENABLE);        
}

串口DMA配置

把DMA配置完成，就可以直接打開DMA了，讓它處于工作狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)的時候就能直接搬運了。

#if USE_USART_DMA_RX 

static void USARTx_DMA_Rx_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

    // 開啟DMA時鐘
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
    // 設(shè)置DMA源地址：串口數(shù)據(jù)寄存器地址*/
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)USART_DR_ADDRESS;
    // 內(nèi)存地址(要傳輸?shù)淖兞康闹羔?
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)Usart_Rx_Buf;
    // 方向：從內(nèi)存到外設(shè)    
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
    // 傳輸大小 
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = USART_RX_BUFF_SIZE;
    // 外設(shè)地址不增       
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    // 內(nèi)存地址自增
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
    // 外設(shè)數(shù)據(jù)單位   
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = 
    DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    // 內(nèi)存數(shù)據(jù)單位
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;  
    // DMA模式，一次或者循環(huán)模式
    //DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal ;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; 
    // 優(yōu)先級：中    
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_VeryHigh; 
    // 禁止內(nèi)存到內(nèi)存的傳輸
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
    // 配置DMA通道         
    DMA_Init(USART_RX_DMA_CHANNEL, &DMA_InitStructure);     
    // 清除DMA所有標(biāo)志
    DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC5);
    DMA_ITConfig(USART_RX_DMA_CHANNEL, DMA_IT_TE, ENABLE);
    // 使能DMA
    DMA_Cmd (USART_RX_DMA_CHANNEL,ENABLE);
}
#endif

接收完數(shù)據(jù)處理

因為接收完數(shù)據(jù)之后，會產(chǎn)生一個idle中斷，也就是空閑中斷，那么我們就可以在中斷服務(wù)函數(shù)中知道已經(jīng)接收完了，就可以處理數(shù)據(jù)了，但是中斷服務(wù)函數(shù)的上下文環(huán)境是中斷，所以，盡量是快進快出，一般在中斷中將一些標(biāo)志置位，供前臺查詢。在中斷中先判斷我們的產(chǎn)生在中斷的類型是不是idle中斷，如果是則進行下一步，否則就無需理會。

/**
  ******************************************************************
  * @brief   串口中斷服務(wù)函數(shù)
  * @author  jiejie
  * @version V1.0
  * @date    2018-xx-xx
  ******************************************************************
  */ 
void DEBUG_USART_IRQHandler(void)
{
#if USE_USART_DMA_RX
    /* 使用串口DMA */
    if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx,USART_IT_IDLE)!=RESET)
    {       
        /* 接收數(shù)據(jù) */
        Receive_DataPack();
        // 清除空閑中斷標(biāo)志位
        USART_ReceiveData( DEBUG_USARTx );
    }   
#else
  /* 接收中斷 */
    if(USART_GetITStatus(DEBUG_USARTx,USART_IT_RXNE)!=RESET)
    {       
    Receive_DataPack();
    }
#endif
}

Receive_DataPack()

這個才是真正的接收數(shù)據(jù)處理函數(shù)，為什么我要將這個函數(shù)單獨封裝起來呢？因為這個函數(shù)其實是很重要的，因為我的代碼兼容普通串口接收與空閑中斷，不一樣的接收類型其處理也不一樣，所以直接封裝起來更好，在源碼中通過宏定義實現(xiàn)選擇接收的方式！更考慮了兼容操作系統(tǒng)的，可能我會在系統(tǒng)中使用dma+空閑中斷，所以，供前臺查詢的信號量就有可能不一樣，可能需要修改，我就把它封裝起來了。不過無所謂，都是一樣的。

/************************************************************
  * @brief   Uart_DMA_Rx_Data
  * @param   NULL
  * @return  NULL
  * @author  jiejie
  * @github  https://github.com/jiejieTop
  * @date    2018-xx-xx
  * @version v1.0
  * @note    使用串口 DMA 接收時調(diào)用的函數(shù)
  ***********************************************************/
#if USE_USART_DMA_RX
void Receive_DataPack(void)
{
    /* 接收的數(shù)據(jù)長度 */
    uint32_t buff_length;

    /* 關(guān)閉DMA ，防止干擾 */
    DMA_Cmd(USART_RX_DMA_CHANNEL, DISABLE);  /* 暫時關(guān)閉dma，數(shù)據(jù)尚未處理 */ 

    /* 清DMA標(biāo)志位 */
    DMA_ClearFlag( DMA1_FLAG_TC5 );  

    /* 獲取接收到的數(shù)據(jù)長度 單位為字節(jié)*/
    buff_length = USART_RX_BUFF_SIZE - DMA_GetCurrDataCounter(USART_RX_DMA_CHANNEL);

    /* 獲取數(shù)據(jù)長度 */
    Usart_Rx_Sta = buff_length;

    PRINT_DEBUG("buff_length = %d\\n ",buff_length);

    /* 重新賦值計數(shù)值，必須大于等于最大可能接收到的數(shù)據(jù)幀數(shù)目 */
    USART_RX_DMA_CHANNEL->CNDTR = USART_RX_BUFF_SIZE;    

    /* 此處應(yīng)該在處理完數(shù)據(jù)再打開，如在 DataPack_Process() 打開*/
    DMA_Cmd(USART_RX_DMA_CHANNEL, ENABLE);      

    /* (OS)給出信號 ，發(fā)送接收到新數(shù)據(jù)標(biāo)志，供前臺程序查詢 */

    /* 標(biāo)記接收完成，在 DataPack_Handle 處理*/
    Usart_Rx_Sta |= 0xC000;

    /* 
    DMA 開啟，等待數(shù)據(jù)。注意，如果中斷發(fā)送數(shù)據(jù)幀的速率很快，MCU來不及處理此次接收到的數(shù)據(jù)，
    中斷又發(fā)來數(shù)據(jù)的話，這里不能開啟，否則數(shù)據(jù)會被覆蓋。有2種方式解決：

    1. 在重新開啟接收DMA通道之前，將Rx_Buf緩沖區(qū)里面的數(shù)據(jù)復(fù)制到另外一個數(shù)組中，
    然后再開啟DMA，然后馬上處理復(fù)制出來的數(shù)據(jù)。

    2. 建立雙緩沖，重新配置DMA_MemoryBaseAddr的緩沖區(qū)地址，那么下次接收到的數(shù)據(jù)就會
    保存到新的緩沖區(qū)中，不至于被覆蓋。
    */
}

f1使用dma是非常簡單的，我在f4用dma的時候也遇到一些問題，最后看手冊解決了，打算下一篇文章就寫一下調(diào)試過程，沒有什么是debug不能解決的，如果有，那就兩次今天臺風(fēng)天氣，連著舍友的WiFi更新的文章中國電信還是強，臺風(fēng)天氣信號一點都不虛，我的移動卡一動不動-_-.

第一次用makedown語法寫完的文章，完全沒排版 還是很好看的，嘿嘿嘿 ，在有道云筆記中寫的