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，在小數據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送幾個指令控制其他設備。但是在高速的大數據量的通信場合，串口可能會承載較高的數據負載，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據，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】的方式接收大量數據，但是這是一個極具風險的行為，假設一下，DMA數據傳輸結束之后，此時CPU開始讀取DMA緩存中的數據，此時又有新的數據進來，新的數據就會覆蓋之前的數據導致異常。
二、如何啟用串口的DMA功能
在討論如何實現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用于數據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“偽多線程”。只需在數據搬運結束后通知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，就是實現了兩個MCU串口間的DMA通信，在開發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，數據和結構體啥的，TxBufferSize1發送數量，TxBuffer1[20]發送的數組。
/**
*[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，即只發送一次，當計數器為0時便不再搬運數據。
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的發送函數，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已經將數據搬運到串口的數據寄存器，但是因為串口的速度不夠，導致此時數據還未送出，而因為例程只循環一次，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);
}
}
最后在主函數調用各初始化函數，在while(1)中循環發送便可實現最簡單的串口+DMA發送。
2.串口+DMA接收
在上面發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，上面的串口發送DMA通道原來是CH4，我下面全部改成CH1。
uint8_tRxBuffer1[20];
定義一個數組用于接收串口數據。
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
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，在串口中斷函數中將接收的數據傳給DMA發送數組，再通過DMA的方式發送出來用于校驗結果。
通過串口助手可觀測數據正確。至此，常見的串口+DMA的發送與接收完成。后文將實現高負載的通信。
三、高負載情況下的DMA如何實現
在串口數據量較大時，一般使用雙BUF,很多單片機有硬件雙緩沖，DMA的目標儲存區域有兩個，當一次完整的數據傳輸結束后，也就是counter值變為0時，DMA會自動將數據指向另一塊區域。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.串口有數據到來，DMA現將數據儲存在內存1，完成后通知CPU過來處理數據。
2.此時DMA不停下，開始將后續的數據搬運到內存2。
3.內存2的數據搬運完成，通知CPU開始處理內存2中的數據。
4.如果數據傳輸還未結束，此時DMA會將數據儲存在內存1。如此循環，直至沒有數據到來。
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跳轉內存區域。利用“傳輸過半中斷”來模擬雙緩沖模式。
大致流程如下：
1.DMA完成搬運一半的數據時，產生一個傳輸過半中斷，此時我們讓CPU來處理上一半數據。
2.DMA數據搬運未停止，此時繼續搬運后一半數據，此操作不會影響前面一半的數據處理。
3.DMA數據搬運完，觸發傳輸完成中斷，這時CPU可以處理后半數據。
4.如果數據傳輸還未結束，DMA繼續將數據向前半搬運，如此循環。
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.通過串口助手發送80個數據到串口。
4.當DMA接收數組接收到20個數據觸發傳輸過半中斷，跳轉中斷函數將20個數據存放到數組中。
5.此時DMA仍在運行，但是數據存放在DMA接收數組的后20個地址空間。
6.當DMA接收數組填滿，觸發DMA傳輸完成中斷，跳轉中斷函數將后20個數據保存，此時DMA一共搬運了40個數據。
7.DMA繼續搬運數據到接收數組里，此時會覆蓋之前的前二十個數據，跳轉到步驟4.
8.接收完80個數據，此時觸發串口空閑中斷，將接收到的數據打印出來。
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，num為全局變量，目的是將所有的數據保存進buf數組：
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據全部打印出來。
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據完整。
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，例如不定數據接收，就可以通過DMA_GetCurrDataCounter(DMA_CH2);函數進行傳輸數據的統計計算，這點大家可以自由發揮，現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。更多的還需要根據實際情況靈活配置。
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