串口中断与DMA

在前一个章节中，我们说到了串口通信的轮询模式。而且，这个模式具有以下的几个缺点：第一，阻塞主程序运行。第二，只能接收固定长度。

而这几个缺点是由其工作原理决定的。要解决这些问题，就要升级其工作原理。因此，我们需要从轮询模式的工作原理开始说起。

串口轮询模式

在STM32中的每个串口的内部，都有两个寄存器：

  • 发送数据寄存器 TDR

  • 发送移位寄存器

当调用HAL_UART_Transmit(&huart1, data, 5, 100)的时候，STM32的CPU，会将这个要发送的data一个一个的放置到寄存器中。其放置的方法如下：

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发送移位寄存器中的数据，将会按照设定的比特率，转化成高低电平，从TX引脚输出。

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当前一个数据被发送出去后，发送数据寄存器TDR中的数据，会被传到发送移位寄存器。这个时候，CPU就会不断的查询TDR中是否为空，若为空，则将后一个数据传入TDR中。

如果TDR为空，CPU就会不断查询，直到所有的数据都传完（传输了固定大小5），或者超过了设置的等待时间100。

使用接收函数HAL_UART_Receive(&huart1, receiveData, 5, 100);的时候，也是同理。CPU会不断查询接收数据寄存器（RDR）中是否为空。

由此可见，弊端就暴露出来了：

在轮询模式下，无论是发送还是接收，CPU会一直忙碌，无法处理其他进程。

我们将一直等待使得程序暂时无法向下运行的状态为：堵塞。

那么，如何解决“堵塞”问题呢？STM32提供了串口中断模式。

串口中断模式

原理

当CPU将数据塞入发送数据寄存器TDR的时候，CPU就可以去处理其他的进程。

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而当数据发出，发送数据寄存器TDR位空时，触发 发送寄存器空中断，CPU被唤回来，将后面的数据塞入发送数据寄存器TDR。

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而当数据再进行接收的时候，每当接收数据寄存器（RDR）中有数据的时候，就会触发 接收寄存器非空中断，CPU被唤回，将寄存器中的 数据传入预先设置好的保存数据的变量空间。

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代码实践

串口发送中断

这一原理不需要我们去手动编写。打开CubeMX，在System Core中找到NVIC，打开所选串口的中断：USART global interrupt 。

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保存并生成代码，就可以了。

使用中断的方式实现串口数据发送，和轮询方式很类似，只是函数名略有不同。使用的函数是HAL_UART_Transmit_IT。

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int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */


  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_USART6_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

    HAL_GPIO_WritePin(LED_R_GPIO_Port, LED_R_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(LED_G_GPIO_Port, LED_G_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    HAL_GPIO_WritePin(LED_B_GPIO_Port, LED_B_Pin, GPIO_PIN_RESET);
    //enable receive interrupt and idle interrupt
    //使能接收中断和空闲中断
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_RXNE);  //receive interrupt
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE);  //idle interrupt
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart6, UART_IT_RXNE);  //receive interrupt
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart6, UART_IT_IDLE);  //idle interrupt

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
        //send data by usart
        //串口发送数据
        HAL_UART_Transmit(&huart1, "RoboMaster\r\n", 12, 100);
        HAL_Delay(100);
        HAL_UART_Transmit_IT(&huart6, "RoboMaster\r\n", 12);
        HAL_Delay(100);
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

上面的代码，是根据Robomaster官方的串口通信教程进行一些修改，对比了串口轮询模式和串口中断模式的发送方法。

可以看到，轮询发送函数和中断发送函数有一个区别，就是中断发送函数没有了超时时间。这是因为中断发送不需要长期占用CPU 使程序堵塞，所以也就不再需要设置超时时间了。

串口接收中断

我们接收到了串口的数据，就要对数据进行处理。那么我们该如何处理接收到的数据呢？

打开stm32f4xx_it.c文件，可以找到这样一个中断处理函数。

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void USART1_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */

  /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */

  /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

这就是USART1的中断向量对应的中断处理函数。我们希望把接收到的数据在函数中进行处理。但是，我们不能把代码写在USART1_IRQHandler(void)中了，因为USART的各种中断事件都被连接到同一个中断向量中。我们只希望普通接收中断后处理数据，而不希望别的中断也处理这些数据，否则会出错。

这个中断向量就叫做HAL_UART_IRQHandler()，里面还包括了刚才所说的发送寄存器空中断，还有线路空闲中断等等。而我们要找的，是接收寄存器非空中断。

因此，我们来到HAL_UART_IRQHandler()函数，跨过这个函数，找到了如下函数：

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/**
  * @brief  Rx Transfer completed callbacks.
  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified UART module.
  * @retval None
  */
__weak void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  /* NOTE: This function should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_UART_RxCpltCallback could be implemented in the user file
   */
}

这里的Cplt是Complete的缩写，表示完成；Callback的意思是回调。接收完成回调函数，我们通常叫它：接收中断回调函数。

顾名思义，这个函数在接收完成的时候执行。

根据原理，接收过程当中，每次接收移位寄存器每完成一次储存，就会触发一次接收中断，但是并不是每次中断都需要处理。这个函数做了优化，只有当所有数据都被接收之后的中断，才会将数据进行处理。

而我们要写的处理代码，也将写在这个函数里。

注意到，这是一个弱定义。一般而言，要把函数放到一个专门的文件中进行定义。但是这一次，我们直接把它放main.c中，看起来更为友善一些。

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/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    /**处理数据**/
    UAL_UART_Receive_IT(&huart1, receiveData, 5);
}

/* USER CODE END 0 */

这样就可以完成串口中断接收了。

但是我们发现，虽然利用普通的串口中断处理可以解决堵塞问题，但是我们依旧是无法解决发送接收数据必须是定长的问题。那么接下来，就该了解串口的DMA模式了。

串口DMA模式

节省CPU

如果使用串口中断模式，CPU就会疲于不断的切换工作任务。那么是否能够给CPU找一个代工呢？我们使用直接内存访问。

DMA (Direct Memory Access)，即直接内存访问。我们只需要给DMA一个带有起点和终点的通道，DMA就可以在合适的时机帮我们搬运内存。等全部搬运完成了，再通过中断提醒。

简单而言，就是创建这样两条通道：

image.png

DMA通道的配置依然可以通过CubeMX。

image.png

打开串口DMA设置，选择Add，可以添加TX和RX通道。剩下的，CubeMX已经帮我们配置好了，不需要修改。

如图所示的TX通道，设置方向位从内存向外设搬运（Memory To Peripheral），即从内存变量，向发送数据寄存器搬运。

而代码方面，只需要把串口中断的_IT改为_DMA就可以，同样需要中断回调函数。

接收不定长数据

接收不定长数据的解决根源，在于改变中断方式——使用串口空闲中断（idle）。其开启中断的方式是，只有当串口接收端从忙碌变为空闲的时候才会触发。因此可以认为串口空闲中断发生时，就是一帧的数据包接收完成了。

我们使用HAL_UARTx_ReceiveToIdle_DMA(huart, receiveData, max_size)其中max_size一般用sizeof(receiveData)取代。

这个函数的回调函数，就不是前面的RxCpltCallback了，而是如下的回调函数：

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/**
  * @brief  Reception Event Callback (Rx event notification called after use of advanced reception service).
  * @param  huart UART handle
  * @param  Size  Number of data available in application reception buffer (indicates a position in
  *               reception buffer until which, data are available)
  * @retval None
  */
__weak void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  UNUSED(Size);

  /* NOTE : This function should not be modified, when the callback is needed,
            the HAL_UARTEx_RxEventCallback can be implemented in the user file.
   */
}

这里多了一个Size变量。因为原先的回调函数是定长的，已知变量。而现在是不定长的，故此需要传入长度。

注：当数据接收到一半的时候，也会触发一次RxEventCallback，对于一般场景很烦人。使用__HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart1_tx, DMA_IT_HT)来取消这一机制。

代码实现

接下来，我们就看看Robomaster的官方代码是如何利用DMA的。

比较特别的是，Robomaster官方代码喜欢将回调函数直接写在IRQHandler里面，这样看起来确实是更简洁的。

等日后续上