基于STM32F407的串口通信实战：实现DMA传输

基于STM32F407的串口通信实战：用DMA释放CPU，真正实现“发完就忘”

你有没有遇到过这种情况——系统明明跑得挺稳，但只要一打开串口打印大量日志，主任务就开始卡顿？或者在做固件升级时， HAL_UART_Transmit() 一调用就是几百毫秒的阻塞，整个实时性直接崩了？

说实话，我第一次调试一个图像上传功能的时候就被坑惨了。每帧数据大概1.5KB，波特率设的是115200，结果发现MCU几乎啥也干不了——光是等串口发完这一帧，就得花上百毫秒，期间还不断进中断，调度全乱套了。

后来才明白，传统轮询或中断方式处理串口，在大数据量面前根本扛不住。每个字节都要CPU参与？那不是让飞行员去拧螺丝嘛！

直到我用了 DMA + USART 的组合拳，才算真正把串口用明白了。

---

为什么你的串口总是拖累系统性能？

我们先来算笔账。

假设你用的是常见的 115200bps 波特率，传输8位数据+1停止位（即每帧10bit），那么理论最大吞吐量是：

115200 / 10 = 11,520 字节/秒

也就是说，每秒要收发超过一万一千个字节。如果采用中断方式接收，意味着 每秒要触发上万次中断 ！

这还不包括发送端的情况。一旦你在主循环里频繁调用 printf 或者批量发送数据，CPU就会陷入“填缓冲 → 等完成 → 再填”的死循环中。

更别说现在很多应用已经不只是传几个参数了：
- 要上传传感器原始波形？
- 要做远程固件更新（OTA）？
- 要把摄像头拍到的BMP图片通过串口吐出去？

这时候你还指望靠 while(HAL_UART_Transmit()) 撑住系统？别闹了 😅

好在，STM32F407这种级别的MCU早就给你准备好了“外挂”—— DMA 。

---

DMA到底是什么？它凭什么能让CPU躺平？

简单说，DMA 就是一个 独立的数据搬运工 。

它能在不打扰CPU的情况下，直接把内存中的数据搬到外设寄存器（比如USART的TDR），或者反过来，把外设接收到的数据自动存进内存缓冲区。

想象一下：以前是你自己一趟趟扛箱子从A地送到B地；现在你雇了个快递小哥，只告诉他起点、终点和数量，剩下的他全包了。你就可以安心写代码、处理业务逻辑去了。

STM32F407上的DMA架构长什么样？

STM32F407有两个DMA控制器：
- DMA1 ：7个stream
- DMA2 ：8个stream

每个stream可以绑定不同的channel（通道），对应不同外设的DMA请求信号。

以我们最常用的 USART1 为例：
- 发送（TX）→ 映射到 DMA2_Stream6，Channel 4
- 接收（RX）→ 映射到 DMA2_Stream5，Channel 4

📌 提示：APB2总线最高支持84MHz时钟，所以USART1理论上可达10.5Mbps波特率，配合DMA完全能跑满物理极限。

而且DMA支持多种工作模式：
- Normal Mode ：传一次就停
- Circular Mode ：循环缓冲，适合持续采样
- 还有FIFO、优先级控制、突发传输优化等高级特性

换句话说，只要你配置得当，DMA甚至能帮你实现一个“永不丢包”的接收环形缓冲区。

---

实战第一步：让DMA替你发数据

咱们先来看最典型的场景——异步发送一大段数据，比如JSON格式的状态上报、固件镜像传输等等。

目标很明确： 调用发送函数后立即返回，后台静默完成传输，完成后通知我一声就行。

HAL库怎么配DMA发送？

// 全局DMA句柄
DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_tx;

static void MX_DMA_Init(void)
{
    __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();

    // 配置DMA2_Stream6用于USART1_TX
    hdma_usart1_tx.Instance = DMA2_Stream6;
    hdma_usart1_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4;              // 对应USART1
    hdma_usart1_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;     // 内存→外设
    hdma_usart1_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;        // 外设地址固定（都是往TDR写）
    hdma_usart1_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;            // 内存地址递增
    hdma_usart1_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;   // 字节对齐
    hdma_usart1_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart1_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;                   // 单次传输
    hdma_usart1_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;        // 高优先级
    hdma_usart1_tx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

    if (HAL_DMA_Init(&hdma_usart1_tx) != HAL_OK) {
        Error_Handler();
    }

    // 关键一步：把DMA和UART关联起来！
    __HAL_LINKDMA(&huart1, hdmatx, hdma_usart1_tx);
}

📌 注意这个宏： __HAL_LINKDMA(&huart1, hdmatx, hdma_usart1_tx);
它的作用是告诉HAL库：“以后 huart1 的发送DMA就用我刚配好的这个句柄。”
否则你调 HAL_UART_Transmit_DMA() 的时候会找不到DMA，直接卡死。

然后初始化UART的时候别忘了开启DMA时钟并使能TX DMA请求：

huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;

if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK) {
    Error_Handler();
}

// 启用DMA发送请求
__HAL_UART_ENABLE_DMA(&huart1, UART_DMAReq_Tx);

怎么发？一句话搞定！

uint8_t tx_buffer[] = "{\"temp\":25.3,\"hum\":60}\r\n";
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buffer, sizeof(tx_buffer) - 1);

✅ 调用完立刻返回！
✅ CPU继续执行其他任务！
✅ 数据由DMA自动搬进USART_TDR！
✅ 传完触发中断，回调告诉你“搞定了”！

别忘了写回调函数

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1) {
        // 可以在这里置标志位、切换状态机、启动下一轮发送...
        HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 指示发送完成
    }
}

💡 小技巧：如果你想连续发送多个包，可以在回调里再次调用 HAL_UART_Transmit_DMA() ，形成链式传输。

---

更狠的操作：DMA接收 + 空闲线检测，彻底告别字节级中断

发送还好办，顶多是阻塞问题。真正头疼的是接收——你怎么知道对方发完了？

很多人还在用这种方式：

while (HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 10) == HAL_OK) {
    buf[i++] = ch;
}

拜托……这种写法不仅效率低，还会导致超时判断不准，尤其在不定长协议（如AT指令、Modbus）中极易出错。

正确的做法是： DMA + IDLE Line Detection（空闲线检测）

它是怎么工作的？

STM32的USART有一个非常实用的功能叫 IDLE 中断 ：当RX线上连续出现一个完整字符时间以上的静默期时，就会触发一次中断。

这意味着什么？

👉 如果对方一次性发来一串数据（比如”AT+READ?\r\n”），中间没有停顿，最后突然断开，那这个“断开瞬间”就会产生一个IDLE事件！

于是我们可以这样设计接收机制：
1. 启动DMA，让它一直把收到的数据往某个缓冲区搬；
2. 不管来了多少字节，都先存着；
3. 一旦检测到总线空闲（IDLE中断），说明一帧数据很可能已经收完了；
4. 此时再唤醒CPU去处理这整块数据。

这样一来，哪怕对方发了512字节，你也只被打扰一次！

---

配置DMA接收流

DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_rx;

static void MX_DMA_Init(void)
{
    // ...前面发送部分省略...

    // 接收流：DMA2_Stream5
    hdma_usart1_rx.Instance = DMA2_Stream5;
    hdma_usart1_rx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4;
    hdma_usart1_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
    hdma_usart1_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_usart1_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_usart1_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart1_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart1_rx.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;        // 关键！循环模式
    hdma_usart1_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
    hdma_usart1_rx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;

    HAL_DMA_Init(&hdma_usart1_rx);

    __HAL_LINKDMA(&huart1, hdmarx, hdma_usart1_rx);
}

注意这里用了 DMA_CIRCULAR 模式 ，意味着缓冲区满了不会停，而是从头开始覆盖。这对长期运行的系统特别有用。

接着开启UART的DMA接收请求和IDLE中断：

// 启动DMA接收
uint8_t rx_buffer[256];
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buffer, 256);

// 开启IDLE中断
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE);

记得在NVIC里也使能USART1的中断：

HAL_NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 0, 1);
HAL_NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);

在中断服务函数中捕获IDLE事件

void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint32_t tmp_flag = __HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE);
    uint32_t tmp_it_source = __HAL_UART_GET_IT_SOURCE(&huart1, UART_IT_IDLE);

    if (tmp_flag && tmp_it_source) {
        // 清除标志位（必须先读SR，再读DR）
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1);

        // 停止当前DMA传输以便读取有效长度
        HAL_UART_DMAStop(&huart1);

        // 计算实际接收到的字节数
        uint16_t rx_len = 256 - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart1_rx);

        // 把数据拷贝到安全区域处理（避免被后续DMA覆盖）
        memcpy(app_rx_buffer, rx_buffer, rx_len);
        app_rx_length = rx_len;

        // 标志位置位，通知主循环处理
        rx_complete_flag = 1;

        // 重启DMA接收
        __HAL_DMA_DISABLE(&hdma_usart1_rx);
        hdma_usart1_rx.Instance->M0AR = (uint32_t)rx_buffer;  // 重置地址
        hdma_usart1_rx.Instance->NDTR = 256;                 // 重置计数
        __HAL_DMA_ENABLE(&hdma_usart1_rx);
    }

    // 其他中断处理...
    HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}

🎯 核心思路就是：
- 收到IDLE → 说明帧结束 → 算出DMA已搬了多少字节 → 拷走数据 → 重置DMA继续监听

这样既保证了高效接收，又避免了频繁中断打扰CPU。

---

实际工程中的那些坑，我都替你踩过了 💣

你以为配完就能高枕无忧？Too young.

我在实际项目中遇到过不少诡异问题，分享几个典型雷区，帮你少走弯路。

❌ 问题1：DMA接收缓冲区被Cache“保护”了？

如果你开启了DCache（比如某些带FPU的复杂系统），而你的接收缓冲区恰好落在可缓存区域，可能会出现一种奇怪现象：

“明明看到DMA说收到了100个字节，但我一读内存，全是0！”

原因很简单：DMA写进了物理内存，但CPU读的是Cache里的旧数据。

✅ 解决方案有两种：
1. 把接收缓冲区定义在 非缓存区（Uncached Region）
2. 或者在读取前手动刷新Cache：

SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t*)rx_buffer, 256);

推荐做法是在链接脚本里划一块NO_CACHE区域专门给DMA用。

❌ 问题2：DMA传输中途被抢占，数据错乱？

DMA虽然强大，但也怕冲突。比如你正在用DMA发数据，另一个高优先级任务突然也要用同一个Stream（比如ADC也在用DMA2_Stream6），会发生什么？

轻则传输失败，重则地址错乱、HardFault。

✅ 解决办法：
- 使用不同的DMA控制器或Stream；
- 必须共用时，加互斥锁（比如用信号量保护DMA资源）；
- 或者干脆提高关键DMA的优先级到“极高”。

❌ 问题3：循环模式下如何防止数据被覆盖？

你开了Circular模式，DMA一直在写rx_buffer。但如果主程序没及时处理，新来的数据就把老数据盖掉了。

怎么办？

✅ 建议引入双缓冲机制（Double Buffer）或使用 DMA Half-Transfer Interrupt ：

// 启用半传输中断
hdma_usart1_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
hdma_usart1_rx.Init.MemBurst = DMA_MBURST_SINGLE;
hdma_usart1_rx.XferHalfCpltCallback = MyHalfCpltCallback;  // 注册回调

当DMA写满前一半（128字节）时就提醒你处理，另一半还能接着收。相当于流水线作业，大大降低丢包风险。

---

这些场景，闭眼用DMA就对了 ✅

别再纠结要不要上DMA了，下面这些情况直接冲：

应用场景	是否推荐DMA	理由
日常调试打印	❌ 否	数据量小，用 ITM 或普通中断足矣
固件OTA升级	✅ 强烈推荐	几百KB数据，必须异步后台传输
传感器原始数据聚合	✅ 推荐	高频采样+批量上报，减少中断抖动
Modbus RTU主站轮询	✅ 推荐	提升响应速度，降低协议层延迟
图像/音频流传输	✅ 必须用	否则CPU直接瘫痪
日志持久化存储	✅ 推荐	避免影响主控逻辑

特别是做工业网关、边缘计算盒子这类设备，串口往往是连接PLC、仪表的核心通路，DMA几乎是标配。

---

给初学者的几点建议 🛠️

1. 不要一开始就追求完美架构
   先从简单的单次DMA发送开始，确保基本流程通了再说。然后再加接收、加IDLE、加双缓冲。

2. 善用调试工具
   - 用逻辑分析仪看TX波形，确认是否真的连续发出；
   - 在回调函数里翻转GPIO，用示波器测DMA传输耗时；
   - 查看 __HAL_DMA_GET_COUNTER() 值验证剩余字节数。

3. 学会看参考手册的关键章节
   - RM0090 第9章：DMA controller
   - RM0090 第19章：USART
   - 数据手册中的DMA请求映射表

4. 关注DMA状态机
   Stream不是随时都能写的，要检查是否处于“Ready”状态。可以用 HAL_DMA_GetState() 判断。

5. 命名规范很重要
   比如：
   c DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_tx; DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_rx;
   清晰明了，后期维护不抓瞎。

---

写到最后：嵌入式开发的本质是“聪明地偷懒”

DMA不是一个炫技的功能，它是嵌入式工程师用来 提升系统效率、增强实时性、降低功耗 的核心武器之一。

当你学会让硬件替你干活，你才有资格谈“高性能系统设计”。

下次当你又要写一堆 while(!tx_complete) 的时候，停下来问问自己：

“我真的需要亲自盯着每一个字节发出去吗？”

也许答案早已写在STM32的DMA控制器里了 😉