基于N32G435的高負載串口通信

一、前言

在單片機中，USART通信是最常用也是最先去接觸的串口外設，在小數(shù)據(jù)量應用中一般不需要考慮USART串口（以下簡稱為串口）的高負載能力，比如打印一下log，接收幾個其他設備的指令或者發(fā)送幾個指令控制其他設備。但是在高速的大數(shù)據(jù)量的通信場合，串口可能會承載較高的數(shù)據(jù)負載，如果不合理地進行單片機的資源利用，則有可能造成各種問題。比如使用串口接收中斷接收大量的數(shù)據(jù)，頻繁地進入中斷，會占用太多的CPU資源。這時可能會想到【空閑中斷+DMA傳輸完成中斷】的方式接收大量數(shù)據(jù)，但是這是一個極具風險的行為，假設一下，DMA數(shù)據(jù)傳輸結束之后，此時CPU開始讀取DMA緩存中的數(shù)據(jù)，此時又有新的數(shù)據(jù)進來，新的數(shù)據(jù)就會覆蓋之前的數(shù)據(jù)導致異常。

二、如何啟用串口的DMA功能

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

DMA（DirectMemoryAccess）直接儲存器訪問，是一個CPU用于數(shù)據(jù)從一個地址空間到另一個地址空間的搬運組件，該過程無需CPU的干預，不占用CPU的資源，可以使單片機這種單線程CPU實現(xiàn)“偽多線程”。只需在數(shù)據(jù)搬運結束后通知CPU即可。

在國民技術的資料中是有串口+DMA的例程的，但是官方為了用戶調試方便，例程相對簡單，就是實現(xiàn)了兩個MCU串口間的DMA通信，在開發(fā)時具有一定借鑒意義，但是不具備高負載能力，同時移植性不是很好，這里我在例程的基礎上進行簡化，同時例程不具備的功能也會一一展開。

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的變量，數(shù)據(jù)和結構體啥的，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);  

}

對相關的時鐘和串口的引腳進行初始化，這里是直接用的官方例程，只不過將官方例程的宏定義換成了實際的值，便于看代碼，不然還需跳轉，但是官方的例程這方面的可移植性會更好。

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，當計數(shù)器為0時便不再搬運數(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，再重新設置傳輸長度，再使能DMA通道，這里是檢測while是檢測串口的發(fā)送完成編制位，在官方的demo中檢測的是DMA的通道完成標志，這個在這里面是不可以的，因為DMA的搬運速度是遠大于串口的通信速度的，如果檢測DMA通道完成標志，會導致DMA已經(jīng)將數(shù)據(jù)搬運到串口的數(shù)據(jù)寄存器，但是因為串口的速度不夠，導致此時數(shù)據(jù)還未送出，而因為例程只循環(huán)一次，在測試例程時看不出問題，但是這里會出問題。

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)調用各初始化函數(shù)，在while(1)中循環(huán)發(fā)送便可實現(xiàn)最簡單的串口+DMA發(fā)送。

2.串口+DMA接收

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

uint8_tRxBuffer1[20];

定義一個數(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DMA的方式發(fā)送出來用于校驗結果。

通過串口助手可觀測數(shù)據(jù)正確。至此，常見的串口+DMA的發(fā)送與接收完成。后文將實現(xiàn)高負載的通信。

三、高負載情況下的DMA如何實現(xiàn)

在串口數(shù)據(jù)量較大時，一般使用雙BUF,很多單片機有硬件雙緩沖，DMA的目標儲存區(qū)域有兩個，當一次完整的數(shù)據(jù)傳輸結束后，也就是counter值變?yōu)?時，DMA會自動將數(shù)據(jù)指向另一塊區(qū)域。這樣用戶就有時間去處理剛存滿的buf，而不會被覆蓋。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，DMA現(xiàn)將數(shù)據(jù)儲存在內(nèi)存1，完成后通知CPU過來處理數(shù)據(jù)。

2.此時DMA不停下，開始將后續(xù)的數(shù)據(jù)搬運到內(nèi)存2。

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

4.如果數(shù)據(jù)傳輸還未結束，此時DMA會將數(shù)據(jù)儲存在內(nèi)存1。如此循環(huán)，直至沒有數(shù)據(jù)到來。

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

大致流程如下：

1.DMA完成搬運一半的數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生一個傳輸過半中斷，此時我們讓CPU來處理上一半數(shù)據(jù)。

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

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

4.如果數(shù)據(jù)傳輸還未結束，DMA繼續(xù)將數(shù)據(jù)向前半搬運，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設置為40，開啟傳輸過半中斷，傳輸完成中斷，串口空閑中斷。

2.啟動DMA接收。

3.通過串口助手發(fā)送80個數(shù)據(jù)到串口。

4.當DMA接收數(shù)組接收到20個數(shù)據(jù)觸發(fā)傳輸過半中斷，跳轉中斷函數(shù)將20個數(shù)據(jù)存放到數(shù)組中。

5.此時DMA仍在運行，但是數(shù)據(jù)存放在DMA接收數(shù)組的后20個地址空間。

6.當DMA接收數(shù)組填滿，觸發(fā)DMA傳輸完成中斷，跳轉中斷函數(shù)將后20個數(shù)據(jù)保存，此時DMA一共搬運了40個數(shù)據(jù)。

7.DMA繼續(xù)搬運數(shù)據(jù)到接收數(shù)組里，此時會覆蓋之前的前二十個數(shù)據(jù)，跳轉到步驟4.

8.接收完80個數(shù)據(jù)，此時觸發(fā)串口空閑中斷，將接收到的數(shù)據(jù)打印出來。

在上面代碼基礎上做如下操作：

1.將DMACH2通道設置為循環(huán)模式，測試階段將BufSize設置為40，開啟傳輸過半中斷和傳輸完成中斷。同時為了測試高速場景，串口波特率設置為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);//清除標志位，避免第一次傳輸出錯

DMA_ClearFlag(DMA_FLAG_TC2,DMA);

DMA_ClrIntPendingBit(DMA_INT_HTX2,DMA);

DMA_ClrIntPendingBit(DMA_INT_TXC2,DMA);

2.NVIC設置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。

voidUSART1_IRQHandler(void)

{

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

{

/*軟件先讀USART_STS，再讀USART_DAT清除空閑中斷標志。*/

USART1->STS;

USART1->DAT;

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

{

TxBuffer1[i]= buf[i];



}

DMA_send(80);

num=0;

}

}

5.測試結果如下，在2.5M波特率的情況下保持數(shù)據(jù)完整。

寫在最后

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

來源：Nations加油站

審核編輯：湯梓紅