基于N32G435的高負(fù)載串口通信

一、前言

在單片機(jī)中，USART通信是最常用也是最先去接觸的串口外設(shè)，在小數(shù)據(jù)量應(yīng)用中一般不需要考慮USART串口（以下簡(jiǎn)稱為串口）的高負(fù)載能力，比如打印一下log，接收幾個(gè)其他設(shè)備的指令或者發(fā)送幾個(gè)指令控制其他設(shè)備。但是在高速的大數(shù)據(jù)量的通信場(chǎng)合，串口可能會(huì)承載較高的數(shù)據(jù)負(fù)載，如果不合理地進(jìn)行單片機(jī)的資源利用，則有可能造成各種問(wèn)題。比如使用串口接收中斷接收大量的數(shù)據(jù)，頻繁地進(jìn)入中斷，會(huì)占用太多的CPU資源。這時(shí)可能會(huì)想到【空閑中斷+DMA傳輸完成中斷】的方式接收大量數(shù)據(jù)，但是這是一個(gè)極具風(fēng)險(xiǎn)的行為，假設(shè)一下，DMA數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后，此時(shí)CPU開(kāi)始讀取DMA緩存中的數(shù)據(jù)，此時(shí)又有新的數(shù)據(jù)進(jìn)來(lái)，新的數(shù)據(jù)就會(huì)覆蓋之前的數(shù)據(jù)導(dǎo)致異常。

二、如何啟用串口的DMA功能

在討論如何實(shí)現(xiàn)串口的高負(fù)載通信之前，我們得先明白如何啟用串口的DMA通信。

DMA（DirectMemoryAccess）直接儲(chǔ)存器訪問(wèn)，是一個(gè)CPU用于數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間到另一個(gè)地址空間的搬運(yùn)組件，該過(guò)程無(wú)需CPU的干預(yù)，不占用CPU的資源，可以使單片機(jī)這種單線程CPU實(shí)現(xiàn)“偽多線程”。只需在數(shù)據(jù)搬運(yùn)結(jié)束后通知CPU即可。

在國(guó)民技術(shù)的資料中是有串口+DMA的例程的，但是官方為了用戶調(diào)試方便，例程相對(duì)簡(jiǎn)單，就是實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)MCU串口間的DMA通信，在開(kāi)發(fā)時(shí)具有一定借鑒意義，但是不具備高負(fù)載能力，同時(shí)移植性不是很好，這里我在例程的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)例程不具備的功能也會(huì)一一展開(kāi)。

1.串口+DMA發(fā)送

#defineTxBufferSize1 (countof(TxBuffer1) - 1)

#definecountof(a) (sizeof(a) / sizeof(*(a)))

USART_InitTypeUSART_InitStructure;

uint8_tTxBuffer1[20] ={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x11,0x12,0x13,0x14,0x15,0x16,0x17,0x18,0x19,0x1a};

首先是定義一些相關(guān)的變量，數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)體啥的，TxBufferSize1發(fā)送數(shù)量，TxBuffer1[20]發(fā)送的數(shù)組。

/**

*[url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] Configures thedifferent system clocks.

*/

voidRCC_Configuration(void)

{

/*DMA clock enable */

RCC_EnableAHBPeriphClk(RCC_AHB_PERIPH_DMA,ENABLE);

/*Enable GPIO clock */

RCC_EnableAPB2PeriphClk(RCC_APB2_PERIPH_GPIOB,ENABLE);

/*Enable USARTy and USARTz Clock */

RCC_EnableAPB2PeriphClk(RCC_APB2_PERIPH_USART1,ENABLE);

}

/**

*[url=home.php?mod=space&uid=247401]@brief[/url] Configures thedifferent GPIO ports.

*/

voidGPIO_Configuration(void)

{

GPIO_InitTypeGPIO_InitStructure;

/*Initialize GPIO_InitStructure */

GPIO_InitStruct(&GPIO_InitStructure);

/*Configure USARTy Tx as alternate function push-pull */

GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_6;

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

GPIO_InitStructure.GPIO_Alternate= GPIO_AF0_USART1;

GPIO_InitPeripheral(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

/*Configure USARTy Rx as alternate function push-pull and pull-up */

GPIO_InitStructure.Pin = GPIO_PIN_7;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pull = GPIO_Pull_Up;

GPIO_InitStructure.GPIO_Alternate= GPIO_AF0_USART1;

GPIO_InitPeripheral(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

}

對(duì)相關(guān)的時(shí)鐘和串口的引腳進(jìn)行初始化，這里是直接用的官方例程，只不過(guò)將官方例程的宏定義換成了實(shí)際的值，便于看代碼，不然還需跳轉(zhuǎn)，但是官方的例程這方面的可移植性會(huì)更好。

voidDMA_Configuration(void)

{

DMA_InitTypeDMA_InitStructure;

/*USARTy TX DMA1 Channel (triggered by USARTy Tx event) Config */

DMA_DeInit(DMA_CH4);

DMA_StructInit(&DMA_InitStructure);

DMA_InitStructure.PeriphAddr = (USART1_BASE + 0x04);

DMA_InitStructure.MemAddr = (uint32_t)TxBuffer1;

DMA_InitStructure.Direction = DMA_DIR_PERIPH_DST;

DMA_InitStructure.BufSize = TxBufferSize1;

DMA_InitStructure.PeriphInc = DMA_PERIPH_INC_DISABLE;

DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MEM_INC_ENABLE;

DMA_InitStructure.PeriphDataSize= DMA_PERIPH_DATA_SIZE_BYTE;

DMA_InitStructure.MemDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;

DMA_InitStructure.CircularMode = DMA_MODE_NORMAL;

DMA_InitStructure.Priority = DMA_PRIORITY_VERY_HIGH;

DMA_InitStructure.Mem2Mem = DMA_M2M_DISABLE;

DMA_Init(DMA_CH4,&DMA_InitStructure);

DMA_RequestRemap(DMA_REMAP_USART1_TX,DMA, DMA_CH4, ENABLE);

}

DMA的初始化采用NORMAL模式，即只發(fā)送一次，當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)便不再搬運(yùn)數(shù)據(jù)。

voidUART_Init(USART_Module* USARTx,uint32_t BaudRate)

{

/*USARTy and USARTz configuration ---------------------------*/

USART_StructInit(&USART_InitStructure);

USART_InitStructure.BaudRate = BaudRate;

USART_InitStructure.WordLength = USART_WL_8B;

USART_InitStructure.StopBits = USART_STPB_1;

USART_InitStructure.Parity = USART_PE_NO;

USART_InitStructure.HardwareFlowControl= USART_HFCTRL_NONE;

USART_InitStructure.Mode = USART_MODE_RX | USART_MODE_TX;

/*Configure USARTy and USARTz */

USART_Init(USARTx,&USART_InitStructure);

/*Enable USARTy DMA Rx and TX request */

USART_EnableDMA(USARTx,USART_DMAREQ_RX | USART_DMAREQ_TX, ENABLE);

/*Enable the USARTy and USARTz */

USART_Enable(USARTx,ENABLE);

}

串口的初始化。

voidDMA_send(uint8_t* pBuffer,uint16_t BufferLength)

{

DMA_EnableChannel(DMA_CH4,DISABLE);

DMA_SetCurrDataCounter(DMA_CH4,BufferLength);

DMA_EnableChannel(DMA_CH4,ENABLE);

while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXDE) == RESET)

{

}

}

DMA的發(fā)送函數(shù)，先失能DMA通道，再重新設(shè)置傳輸長(zhǎng)度，再使能DMA通道，這里是檢測(cè)while是檢測(cè)串口的發(fā)送完成編制位，在官方的demo中檢測(cè)的是DMA的通道完成標(biāo)志，這個(gè)在這里面是不可以的，因?yàn)镈MA的搬運(yùn)速度是遠(yuǎn)大于串口的通信速度的，如果檢測(cè)DMA通道完成標(biāo)志，會(huì)導(dǎo)致DMA已經(jīng)將數(shù)據(jù)搬運(yùn)到串口的數(shù)據(jù)寄存器，但是因?yàn)榇诘乃俣炔粔颍瑢?dǎo)致此時(shí)數(shù)據(jù)還未送出，而因?yàn)槔讨谎h(huán)一次，在測(cè)試?yán)虝r(shí)看不出問(wèn)題，但是這里會(huì)出問(wèn)題。

intmain(void)

{

/*System Clocks Configuration */

RCC_Configuration();

/*Configure the GPIO ports */

GPIO_Configuration();

/*Configure the DMA */

DMA_Configuration();

UART_Init(USART1,115200);

while(1)

{

DMA_send(TxBuffer1,20);

Delay(10000000);

}

}

最后在主函數(shù)調(diào)用各初始化函數(shù)，在while(1)中循環(huán)發(fā)送便可實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的串口+DMA發(fā)送。

2.串口+DMA接收

在上面發(fā)送的基礎(chǔ)上我們加上DMA的接收功能，此處需要解釋一下下面的操作：為了對(duì)應(yīng)手冊(cè)，上面的串口發(fā)送DMA通道原來(lái)是CH4，我下面全部改成CH1。

uint8_tRxBuffer1[20];

定義一個(gè)數(shù)組用于接收串口數(shù)據(jù)。

USART_ConfigInt(USARTx,USART_INT_IDLEF, ENABLE);

添加串口中斷定義。

voidNVIC_Configuration(void)

{

NVIC_InitTypeNVIC_InitStructure;

/*Enable the USARTz Interrupt */

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel= USART1_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority= 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority= 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd= ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

添加NVIC配置。

voidDMA_Configuration(void)

{

DMA_InitTypeDMA_InitStructure;

/*USARTy TX DMA1 Channel (triggered by USARTy Tx event) Config */

DMA_DeInit(DMA_CH1);

DMA_StructInit(&DMA_InitStructure);

DMA_InitStructure.PeriphAddr= (USART1_BASE + 0x04);

DMA_InitStructure.MemAddr= (uint32_t)TxBuffer1;

DMA_InitStructure.Direction= DMA_DIR_PERIPH_DST;

DMA_InitStructure.BufSize= TxBufferSize1;

DMA_InitStructure.PeriphInc= DMA_PERIPH_INC_DISABLE;

DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc= DMA_MEM_INC_ENABLE;

DMA_InitStructure.PeriphDataSize= DMA_PERIPH_DATA_SIZE_BYTE;

DMA_InitStructure.MemDataSize= DMA_MemoryDataSize_Byte;

DMA_InitStructure.CircularMode= DMA_MODE_NORMAL;

DMA_InitStructure.Priority= DMA_PRIORITY_VERY_HIGH;

DMA_InitStructure.Mem2Mem= DMA_M2M_DISABLE;

DMA_Init(DMA_CH1,&DMA_InitStructure);

DMA_RequestRemap(DMA_REMAP_USART1_TX,DMA, DMA_CH1, ENABLE);

DMA_DeInit(DMA_CH2);

DMA_InitStructure.PeriphAddr= (USART1_BASE + 0x04);

DMA_InitStructure.MemAddr= (uint32_t)RxBuffer1;

DMA_InitStructure.Direction= DMA_DIR_PERIPH_SRC;

DMA_InitStructure.BufSize= TxBufferSize1;

DMA_Init(DMA_CH2,&DMA_InitStructure);

DMA_RequestRemap(DMA_REMAP_USART1_RX,DMA, DMA_CH2, ENABLE);

}

添加DMA的接收，并將通道設(shè)置為CH2。

voidDMA_Revice(uint16_t BufferLength)

{

DMA_EnableChannel(DMA_CH2,DISABLE);

DMA_SetCurrDataCounter(DMA_CH2,BufferLength);

DMA_EnableChannel(DMA_CH2,ENABLE);

}

添加DMA接收函數(shù)

voidUSART1_IRQHandler(void)

{

if(USART_GetIntStatus(USART1, USART_INT_IDLEF) != RESET)

{

/*軟件先讀USART_STS，再讀USART_DAT清除空閑中斷標(biāo)志。*/

USART1->STS;

USART1->DAT;

for(inti=0;i<20;i++)

{

TxBuffer1[i]= RxBuffer1[i];

}

DMA_send(20);

DMA_Revice(20);

}

}

添加串口中斷函數(shù)，在串口中斷函數(shù)中將接收的數(shù)據(jù)傳給DMA發(fā)送數(shù)組，再通過(guò)DMA的方式發(fā)送出來(lái)用于校驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)串口助手可觀測(cè)數(shù)據(jù)正確。至此，常見(jiàn)的串口+DMA的發(fā)送與接收完成。后文將實(shí)現(xiàn)高負(fù)載的通信。

三、高負(fù)載情況下的DMA如何實(shí)現(xiàn)

在串口數(shù)據(jù)量較大時(shí)，一般使用雙BUF,很多單片機(jī)有硬件雙緩沖，DMA的目標(biāo)儲(chǔ)存區(qū)域有兩個(gè)，當(dāng)一次完整的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，也就是counter值變?yōu)?時(shí)，DMA會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)指向另一塊區(qū)域。這樣用戶就有時(shí)間去處理剛存滿的buf，而不會(huì)被覆蓋。就是“乒乓緩存”。

普通DMA

DMA雙緩沖

大致流程如下：

1.串口有數(shù)據(jù)到來(lái)，DMA現(xiàn)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在內(nèi)存1，完成后通知CPU過(guò)來(lái)處理數(shù)據(jù)。

2.此時(shí)DMA不停下，開(kāi)始將后續(xù)的數(shù)據(jù)搬運(yùn)到內(nèi)存2。

3.內(nèi)存2的數(shù)據(jù)搬運(yùn)完成，通知CPU開(kāi)始處理內(nèi)存2中的數(shù)據(jù)。

4.如果數(shù)據(jù)傳輸還未結(jié)束，此時(shí)DMA會(huì)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在內(nèi)存1。如此循環(huán)，直至沒(méi)有數(shù)據(jù)到來(lái)。

但是遺憾的是N32G435這塊芯片不具備雙緩沖模式，那么我們可以主動(dòng)控制DMA跳轉(zhuǎn)內(nèi)存區(qū)域。利用“傳輸過(guò)半中斷”來(lái)模擬雙緩沖模式。

大致流程如下：

1.DMA完成搬運(yùn)一半的數(shù)據(jù)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)傳輸過(guò)半中斷，此時(shí)我們讓CPU來(lái)處理上一半數(shù)據(jù)。

2.DMA數(shù)據(jù)搬運(yùn)未停止，此時(shí)繼續(xù)搬運(yùn)后一半數(shù)據(jù)，此操作不會(huì)影響前面一半的數(shù)據(jù)處理。

3.DMA數(shù)據(jù)搬運(yùn)完，觸發(fā)傳輸完成中斷，這時(shí)CPU可以處理后半數(shù)據(jù)。

4.如果數(shù)據(jù)傳輸還未結(jié)束，DMA繼續(xù)將數(shù)據(jù)向前半搬運(yùn)，如此循環(huán)。

代碼講解如下：

以下代碼完整流程如下：

1.配置串口波特率2.5M，DMA的BufSize設(shè)置為40，開(kāi)啟傳輸過(guò)半中斷，傳輸完成中斷，串口空閑中斷。

2.啟動(dòng)DMA接收。

3.通過(guò)串口助手發(fā)送80個(gè)數(shù)據(jù)到串口。

4.當(dāng)DMA接收數(shù)組接收到20個(gè)數(shù)據(jù)觸發(fā)傳輸過(guò)半中斷，跳轉(zhuǎn)中斷函數(shù)將20個(gè)數(shù)據(jù)存放到數(shù)組中。

5.此時(shí)DMA仍在運(yùn)行，但是數(shù)據(jù)存放在DMA接收數(shù)組的后20個(gè)地址空間。

6.當(dāng)DMA接收數(shù)組填滿，觸發(fā)DMA傳輸完成中斷，跳轉(zhuǎn)中斷函數(shù)將后20個(gè)數(shù)據(jù)保存，此時(shí)DMA一共搬運(yùn)了40個(gè)數(shù)據(jù)。

7.DMA繼續(xù)搬運(yùn)數(shù)據(jù)到接收數(shù)組里，此時(shí)會(huì)覆蓋之前的前二十個(gè)數(shù)據(jù)，跳轉(zhuǎn)到步驟4.

8.接收完80個(gè)數(shù)據(jù)，此時(shí)觸發(fā)串口空閑中斷，將接收到的數(shù)據(jù)打印出來(lái)。

在上面代碼基礎(chǔ)上做如下操作：

1.將DMACH2通道設(shè)置為循環(huán)模式，測(cè)試階段將BufSize設(shè)置為40，開(kāi)啟傳輸過(guò)半中斷和傳輸完成中斷。同時(shí)為了測(cè)試高速場(chǎng)景，串口波特率設(shè)置為2.5M：

DMA_DeInit(DMA_CH2);

DMA_InitStructure.PeriphAddr= (USART1_BASE + 0x04);

DMA_InitStructure.MemAddr= (uint32_t)buffer;

DMA_InitStructure.Direction= DMA_DIR_PERIPH_SRC;

DMA_InitStructure.BufSize= 40;

DMA_InitStructure.CircularMode= DMA_MODE_CIRCULAR;

DMA_Init(DMA_CH2,&DMA_InitStructure);

DMA_RequestRemap(DMA_REMAP_USART1_RX,DMA, DMA_CH2, ENABLE);

DMA_ConfigInt(DMA_CH2,DMA_INT_HTX,ENABLE);//半傳輸中斷

DMA_ConfigInt(DMA_CH2,DMA_INT_TXC,ENABLE);//傳輸完成中斷

DMA_ClearFlag(DMA_FLAG_HT2,DMA);//清除標(biāo)志位，避免第一次傳輸出錯(cuò)

DMA_ClearFlag(DMA_FLAG_TC2,DMA);

DMA_ClrIntPendingBit(DMA_INT_HTX2,DMA);

DMA_ClrIntPendingBit(DMA_INT_TXC2,DMA);

2.NVIC設(shè)置DMA通道中斷

voidNVIC_Configuration(void)

{

NVIC_InitTypeNVIC_InitStructure;

/*Enable the USARTz Interrupt */

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel= USART1_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority= 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority= 1;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd= ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel= DMA_Channel2_IRQn;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority= 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority= 0;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd= ENABLE;

NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

3.添加DMA的CH2中斷函數(shù)，num為全局變量，目的是將所有的數(shù)據(jù)保存進(jìn)buf數(shù)組：

voidDMA_Channel2_IRQHandler(void)

{

//傳輸半滿

if(DMA_GetIntStatus(DMA_INT_HTX2,DMA)== SET)

{

DMA_ClrIntPendingBit(DMA_INT_HTX2,DMA);

DMA_ClearFlag(DMA_FLAG_HT2,DMA);

for(inti=0;i<20;i++)

{

buf[num]= buffer[i];

num++;

}

}

//傳輸滿

if(DMA_GetIntStatus(DMA_INT_TXC2,DMA)== SET)

{

DMA_ClrIntPendingBit(DMA_INT_TXC2,DMA);

DMA_ClearFlag(DMA_FLAG_TC2,DMA);

for(inti=20;i<40;i++)

{

buf[num]= buffer[i];

num++;

}

}

}

4.在串口空閑中斷中將收到的數(shù)據(jù)全部打印出來(lái)。

voidUSART1_IRQHandler(void)

{

if(USART_GetIntStatus(USART1, USART_INT_IDLEF) != RESET)

{

/*軟件先讀USART_STS，再讀USART_DAT清除空閑中斷標(biāo)志。*/

USART1->STS;

USART1->DAT;

for(inti=0;i<80;i++)

{

TxBuffer1[i]= buf[i];

}

DMA_send(80);

num=0;

}

}

5.測(cè)試結(jié)果如下，在2.5M波特率的情況下保持?jǐn)?shù)據(jù)完整。

寫(xiě)在最后

這次主要討論了一種高負(fù)載情況下如何緩解CPU壓力的方法，所言所寫(xiě)不盡完善，例如不定數(shù)據(jù)接收，就可以通過(guò)DMA_GetCurrDataCounter(DMA_CH2);函數(shù)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，這點(diǎn)大家可以自由發(fā)揮，現(xiàn)實(shí)可能遇到的問(wèn)題是多種多樣的，主要在于關(guān)鍵能力的拓展。更多的還需要根據(jù)實(shí)際情況靈活配置。

閱讀原文：https://bbs.21ic.com/icview-3209220-1-1.html