24、STM32 UART中断与新项目创建全解析

STM32 UART中断与新项目创建全解析

1. UART中断服务例程及相关函数

在STM32的开发中，UART（通用异步收发传输器）的中断处理是非常重要的一部分。下面我们来详细了解UART中断服务例程以及相关的函数。

1.1 UART中断服务例程（ISR）

UART中断服务例程用于处理接收到的数据。以下是 usart1_isr 函数的代码：

void usart1_isr(void) {
    char ch;
    BaseType_t hptask = pdFALSE;

    while ( ((USART_SR(USART1) & USART_SR_RXNE) != 0) ) {
        // Have received data:
        ch = usart_recv(USART1);

        // Use best effort to send byte to queue
        xQueueSendFromISR(uart_rxq, &ch, &hptask);
    }
}

这个函数的主要功能是在接收到数据时，将数据从UART接收寄存器中读取出来，并将其发送到队列 uart_rxq 中。

1.2 uart_getc 函数

uart_getc 函数用于从队列中获取接收到的数据。代码如下：

static char uart_getc(void) {
    char ch;

    while ( xQueueReceive(uart_rxq, &ch, 0) != pdPASS )
        taskYIELD();
    gpio_toggle(GPIOC, GPIO13);
    return ch;
}

当队列中有数据时，函数会将数据取出并返回；如果队列中没有数据，函数会让出CPU控制权，等待数据的到来。

1.3 main_task 函数

main_task 函数是一个任务，其主要功能是接收字符并将其发送回UART。代码如下：

#define INVERT_CASE 0
static void main_task(void *args __attribute((unused))) {
    for (;;) {
        // Block until char received
        char ch = uart_getc();
#if INVERT_CASE
        if ( islower(ch) )
            ch = toupper(ch);
        else if ( isupper(ch) )
            ch = tolower(ch);
#endif
        uart_putc(ch);
    }
}

通过修改 INVERT_CASE 的值为1，可以将接收到的字符进行大小写转换。

1.4 uart_putc 函数

uart_putc 函数用于将字符发送到UART。代码如下：

static inline void uart_putc(char ch) {
    // Queue the byte to send
    while ( xQueueSend(uart_txq, &ch, 0) != pdPASS )
        taskYIELD();
    if ( ch == '\n' ) {
        // When we see LF, also send CR
        ch = '\r';
        while ( xQueueSend(uart_txq, &ch, 0) != pdPASS )
            taskYIELD();
    }
}

该函数会将字符发送到队列 uart_txq 中，如果队列已满，函数会让出CPU控制权。

1.5 tx_task 函数

tx_task 函数用于从队列中取出字符并发送到UART。代码如下：

static void tx_task(void *args __attribute((unused))) {
    char ch;

    for (;;) {
        while ( xQueueReceive(uart_txq, &ch, portMAX_DELAY) != pdPASS )
            taskYIELD();

        // Received a char to transmit:
        while ( !usart_get_flag(USART1, USART_SR_TXE) )
            taskYIELD(); // Not ready to send
        usart_send(USART1, ch);
    }
}

当队列中有数据时，函数会等待UART准备好接收数据，然后将数据发送出去。

2. 运行演示

在运行演示之前，需要进行一些配置。

2.1 配置演示

• 修改 INVERT_CASE 的值来决定是否对数据进行大小写转换。

#define INVERT_CASE 0

• 重新构建项目：

$ make clobber
$ make

• 烧录程序：

$ make flash

2.2 配置终端

连接串口设备到STM32并插入USB端口后，启动 minicom （或其他终端模拟器）：

$ minicom -D /dev/cu.usbserial-A50285BI -s

确保在 minicom 中关闭流控制，并将波特率和其他串口参数配置为115200波特，模式8N1。

2.3 演示操作

进入 minicom 的文件传输协议配置选项，添加一个名为“cat”的新协议。然后按下 Meta - S 调用“Upload”菜单，选择“cat”，可以选择一个文本文件进行传输。

3. 数据丢失问题

由于演示中没有启用流控制，在高波特率下可能会出现数据丢失的问题。可以通过降低波特率来尝试消除数据丢失。同时，STM32 USART设备和 libopencm3 库支持硬件流控制，但将其集成到程序中超出了本文的范围。

4. 新项目创建

创建一个新的STM32项目可以按照以下步骤进行：

4.1 项目创建

首先，定位到正确的起始目录：

$ cd ~/stm32f103c8t6/rtos

然后，使用 make 命令创建项目：

$ make -f Project.mk PROJECT=myproj

创建完成后，项目子目录会被填充一些文件，包括 FreeRTOSConfig.h 、 Makefile 、 main.c 等。

4.2 Makefile相关宏

Makefile 中使用了一些宏来定义项目，下面是一些重要的宏：
- BINARY ：定义编译后的可执行文件的名称，默认是 main 。
- SRCFILES ：定义要编译到最终可执行文件中的源文件名称，默认包括 main.c 、 rtos/heap_4.c 等。
- LDSCRIPT ：指向项目目录中的链接脚本文件，通常为 stm32f103c8t6.ld 。
- DEPS ：用于定义特殊的依赖项。
- CLOBBER ：用于定义在 make clobber 时要删除的文件。

以下是默认的 Makefile 代码：

#########################################################
#  Project Makefile
#########################################################

BINARY     = main
SRCFILES    =  main.c rtos/heap_4.c rtos/list.c rtos/port.c \
                  rtos/queue.c rtos/tasks.c rtos/opencm3.c
LDSCRIPT   = stm32f103c8t6.ld

# DEPS      =  # Any additional dependencies for your build
# CLOBBER  += # Any additional files to be removed with \
                         "make clobber"

include ../../Makefile.incl
include ../Makefile.rtos

#########################################################
#  NOTES:
#    1. remove any modules you don't need from SRCFILES
#    2.  "make clean" will remove *.o etc., but leaves *.elf, *.bin
#    3.  "make clobber" will "clean" and remove *.elf, *.bin etc.
#    4. "make flash" will perform:
#       st-flash write main.bin 0x8000000
#########################################################

4.3 其他配置

• 包含的Makefile ：项目中包含了 ../../Makefile.incl 和 ../Makefile.rtos ，分别用于定义项目构建的宏和规则，以及添加 ./rtos 子目录到FreeRTOS构建的包含文件搜索路径。
• 头文件依赖 ：可以通过添加 Makefile 依赖规则来处理头文件的变化，例如：

main.o: myproj.h

• 编译选项 ：可以为特定模块添加特殊的编译选项，例如：

ugui.o:  CFLAGS += -Wno-parentheses

4.4 烧录操作

项目构建完成后，使用以下命令进行烧录：

$ make flash

对于支持128K闪存的STM32F103C8T6芯片，可以使用以下命令进行烧录：

$ make bigflash

5. FreeRTOS组件

在项目中，FreeRTOS组件是重要的一部分。其中， rtos/opencm3.c 模块用于将 libopencm3 框架连接到FreeRTOS。以下是该模块的代码：

/* Warren W. Gay VE3WWG
 *
 *  To use libopencm3 with FreeRTOS on Cortex - M3 platform, we must
 * define three interlude routines.
 */
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"
#include <libopencm3/stm32/rcc.h>
#include <libopencm3/stm32/gpio.h>
#include <libopencm3/cm3/nvic.h>

extern void vPortSVCHandler( void ) __attribute__ (( naked ));
extern void xPortPendSVHandler( void ) __attribute__ (( naked ));
extern void xPortSysTickHandler( void );

void sv_call_handler(void) {
    vPortSVCHandler();
}

void pend_sv_handler(void) {
    xPortPendSVHandler();
}

void sys_tick_handler(void) {
    xPortSysTickHandler();
}

/* end opncm3.c */

6. 总结

通过以上内容，我们了解了STM32 UART中断处理的相关函数和流程，以及如何创建一个新的STM32项目。在UART中断处理中，使用队列可以有效地管理接收到的数据；在项目创建过程中，合理配置 Makefile 和相关宏可以提高开发效率。同时，我们也提到了数据丢失和FreeRTOS组件等相关问题，希望对大家的开发有所帮助。

表格：Minicom “cat”文件传输协议设置

参数	值
Name	Y
U/D	U
FullScr	Y
IO - Red.	Y
Multi	N

流程图：新项目创建流程

graph TD;
    A[定位起始目录] --> B[创建项目子目录];
    B --> C[生成Makefile等文件];
    C --> D[编辑FreeRTOSConfig.h];
    D --> E[编辑Makefile SRCFILES];
    E --> F[编辑stm32f103c8t6.ld（可选）];
    F --> G[make];
    G --> H[make flash];

7. 关键技术点分析

7.1 UART中断处理优势

UART中断处理通过引入接收中断，显著改善了UART接收器的性能。传统的UART外设数据寄存器容量有限，而利用FreeRTOS内核的队列结合RAM内存，有效突破了这一限制。当有数据到达时，中断服务例程（ISR）会迅速响应，将数据从UART接收寄存器读取出来，并存储到队列中。这样一来，即使数据连续快速到达，也不会因为寄存器溢出而导致数据丢失。例如，在高速数据传输场景下，中断处理能够及时捕获每一个数据，保证数据的完整性。

7.2 FreeRTOS队列的使用

FreeRTOS队列在整个系统中起到了数据缓冲和任务间通信的重要作用。在UART中断处理中，队列 uart_rxq 用于存储接收到的数据， uart_txq 用于存储待发送的数据。使用队列而非传统的内存数组缓冲区，具有以下优点：
- 线程安全 ：FreeRTOS队列提供了线程安全的操作接口，多个任务可以安全地对队列进行读写操作，避免了数据竞争和不一致的问题。
- 阻塞机制 ：队列的读写操作可以设置阻塞时间，当队列为空或已满时，任务可以选择阻塞等待，直到队列状态满足条件。这种机制使得任务的执行更加高效，避免了不必要的轮询。
- 灵活性 ：队列可以存储不同类型的数据，并且可以根据需要动态调整队列的长度。

7.3 ISR不阻塞执行的原因

中断服务例程（ISR）必须保证不阻塞执行，这是因为ISR是在中断上下文中执行的，具有较高的优先级。如果ISR阻塞，会导致其他中断无法及时响应，从而影响系统的实时性和稳定性。例如，在 usart1_isr 函数中，使用 xQueueSendFromISR 函数将数据发送到队列时，该函数是专门为ISR设计的，能够在不阻塞的情况下完成数据的发送。如果使用普通的队列发送函数，可能会因为队列已满而导致ISR阻塞。

7.4 usart_send 与 usart_send_blocking 的选择

在 tx_task 函数中，使用 usart_send 函数而不是 usart_send_blocking 函数来发送数据。这是因为 usart_send_blocking 函数会一直等待UART外设准备好接收新数据，期间不会释放CPU资源，而 usart_send 函数在UART未准备好时会让出CPU控制权，使得其他任务可以继续执行。由于 libopencm3 库不知道我们正在使用FreeRTOS内核， usart_send_blocking 函数没有实现任务调度的功能，因此在多任务环境下，使用 usart_send 函数能够更好地实现任务的并发执行。

8. 常见问题及解决方法

8.1 数据丢失问题

在高波特率下，由于没有启用流控制，可能会出现数据丢失的问题。解决方法如下：
- 降低波特率 ：降低数据传输的波特率，减少数据发送的速度，使得接收器有足够的时间处理每一个数据。例如，将波特率从115200降低到9600。
- 启用硬件流控制 ：STM32 USART设备和 libopencm3 库支持硬件流控制，通过配置相应的引脚和寄存器，可以实现数据传输的流量控制。当接收器处理不过来时，发送器会暂停发送数据，避免数据丢失。

8.2 编译和烧录问题

• 编译错误 ：如果在编译过程中出现错误，首先检查代码的语法错误，特别是头文件的包含、函数调用和变量定义等方面。另外，确保 Makefile 中的 SRCFILES 宏包含了所有需要编译的源文件。
• 烧录失败 ：烧录失败可能是由于硬件连接问题、烧录工具版本不兼容等原因导致的。检查STM32与烧录器的连接是否正常，确保烧录工具（如 st-flash ）的版本支持目标芯片的闪存容量。对于支持128K闪存的STM32F103C8T6芯片，使用 make bigflash 命令进行烧录。

9. 进一步学习建议

9.1 深入研究FreeRTOS

FreeRTOS是一个功能强大的实时操作系统内核，除了队列之外，还提供了任务管理、信号量、互斥锁等丰富的功能。可以深入学习FreeRTOS的官方文档和示例代码，了解其更多的特性和应用场景。例如，学习如何使用信号量来实现任务间的同步，如何使用互斥锁来保护共享资源。

9.2 探索硬件流控制

虽然本文没有详细介绍硬件流控制的实现，但它是解决数据丢失问题的有效方法。可以查阅STM32 USART设备和 libopencm3 库的相关文档，学习如何配置和使用硬件流控制。通过实际项目实践，掌握硬件流控制的原理和应用。

9.3 优化项目代码

在现有项目的基础上，可以对代码进行优化，提高系统的性能和稳定性。例如，优化中断服务例程的执行时间，减少中断处理的延迟；对队列的长度和任务的优先级进行合理调整，提高系统的并发处理能力。

表格：UART相关函数总结

函数名	功能	关键代码
usart1_isr	UART中断服务例程，将接收到的数据存入队列	while ( ((USART_SR(USART1) & USART_SR_RXNE) != 0) ) { ch = usart_recv(USART1); xQueueSendFromISR(uart_rxq, &ch, &hptask); }
uart_getc	从队列中获取接收到的数据	while ( xQueueReceive(uart_rxq, &ch, 0) != pdPASS ) taskYIELD();
main_task	接收字符并发送回UART，可进行大小写转换	char ch = uart_getc(); #if INVERT_CASE if ( islower(ch) ) ch = toupper(ch); else if ( isupper(ch) ) ch = tolower(ch); #endif uart_putc(ch);
uart_putc	将字符发送到UART队列	while ( xQueueSend(uart_txq, &ch, 0) != pdPASS ) taskYIELD();
tx_task	从队列中取出字符并发送到UART	while ( xQueueReceive(uart_txq, &ch, portMAX_DELAY) != pdPASS ) taskYIELD(); while ( !usart_get_flag(USART1, USART_SR_TXE) ) taskYIELD(); usart_send(USART1, ch);

流程图：UART数据处理流程

graph TD;
    A[数据到达UART] --> B[触发中断];
    B --> C[执行usart1_isr];
    C --> D[将数据存入uart_rxq];
    D --> E[main_task从uart_rxq获取数据];
    E --> F[处理数据（可选大小写转换）];
    F --> G[uart_putc将数据存入uart_txq];
    G --> H[tx_task从uart_txq取出数据];
    H --> I[发送数据到UART];

通过以上对STM32 UART中断处理和新项目创建的详细介绍，希望能够帮助读者更好地理解和掌握相关技术，在实际项目开发中灵活运用。同时，鼓励读者不断探索和学习，进一步提升自己的开发能力。