STM32串口空闲中断+DMA收发

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#STM32 # 串口通信 # 空闲中断 # DMA # IDLE中断 # HAL库 # 嵌入式系统

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STM32F103串口空闲中断收发技术深度解析

在现代嵌入式系统中，一个看似简单的串口通信，往往隐藏着性能与稳定性的关键挑战。尤其是在工业控制、传感器网络或智能终端设备中，主控MCU常常需要同时处理多任务：采集数据、驱动外设、执行协议栈、响应用户输入……而此时如果串口还采用轮询方式逐字节读取，或者依赖定时器判断帧结束，轻则导致CPU负载飙升，重则因响应不及时造成数据丢失。

有没有一种方法，能让串口接收几乎“零打扰”CPU，又能精准识别每一帧不定长数据的边界？

答案是肯定的—— STM32F103上的“串口空闲中断 + DMA”机制 ，正是解决这一难题的黄金组合。它不是某种高级技巧，而是硬件层面为高效通信量身打造的设计范式。掌握它，意味着你不再被“什么时候数据收完了？”这种基础问题困扰，而是可以把精力集中在更有价值的协议解析和系统优化上。

我们先从一个实际场景说起：假设你正在开发一款基于Modbus RTU协议的温湿度采集模块。主机发送一条 0x01 0x03 0x00 0x01 0x00 0x01 CRC 命令，长度只有8字节；下一帧可能是更长的配置写入包，达到20字节以上。这些帧之间没有固定间隔，也没有统一的结束符（比如 \n ），传统做法通常是在主循环里不断检查是否有新数据到来，并用超时机制判断一帧是否结束。

但这种方法有两个致命缺陷：

CPU必须持续关注串口状态 ，哪怕大部分时间都在“空等”，资源浪费严重；
超时阈值难设定 ：设得太短，可能把连续数据误判为两帧；设得太长，则延迟增加，影响实时性。

而如果你启用了USART的IDLE中断功能，情况就完全不同了——当总线上连续一段时间没有新数据（即线路保持高电平超过一个字符传输时间），硬件会自动触发一次中断，告诉你：“刚才那波数据已经完整收到了。” 这个“空闲检测”是纯硬件完成的，精度极高，响应极快，且完全不需要软件干预。

更进一步，如果我们再配上DMA，整个接收过程甚至连中断都不用频繁触发——DMA会在后台默默把每一个收到的字节搬进内存缓冲区，直到总线空闲，才通过IDLE中断通知CPU：“来吧，该你干活了。”

这就像有个专职秘书帮你接听电话记录信息，只有在对方讲完一段话后才敲门提醒你查看笔记。你不必一直守着电话机，也不会漏掉任何重要内容。

要实现这套机制，核心在于理解三个组件的协同工作： USART、DMA 和中断控制器 。

首先看USART本身。在STM32F1系列中，所有USART都支持IDLE检测功能，由控制寄存器CR1中的 IDLEIE 位使能。一旦使能，每当接收线上出现一个完整的字符时间以上的静默期（idle period），状态寄存器SR中的 IDLE 标志就会被置起。注意，这个标志不会自动清除，必须通过 先读SR、再读DR 的操作序列才能清零。这是很多初学者踩过的坑：忘记正确清除标志，导致中断反复触发，形成“中断风暴”。

接下来是DMA的角色。我们配置DMA通道将数据从 USART1->DR 寄存器搬运到RAM中的接收缓冲区。以STM32F103为例，USART1_RX对应DMA1_Channel5。设置方向为外设到内存，数据宽度为字节，缓冲区大小根据最大预期帧长设定（如64或128字节）。最关键的是模式选择：可以使用Normal模式，也可以使用Circular模式。

Normal模式 ：DMA在完成预设数量的数据传输后停止。适合已知最大帧长且帧间间隔较长的场景。
Circular模式 ：DMA到达缓冲区末尾后自动回到开头继续填充。适合高速连续数据流，但需要额外逻辑计算当前有效数据位置。

推荐在大多数应用中使用Normal模式配合IDLE中断，逻辑清晰，不易出错。

下面是一段典型的初始化代码（基于HAL库）：

#include "stm32f1xx_hal.h"

UART_HandleTypeDef huart1;
DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_rx;

#define RX_BUFFER_SIZE  64
uint8_t rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE];
volatile uint8_t rx_complete_flag = 0;
volatile uint16_t received_len = 0;

void UART_DMA_Init(void)
{
    // USART基本配置
    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;
    HAL_UART_Init(&huart1);

    // DMA配置
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
    hdma_usart1_rx.Instance = DMA1_Channel5;
    hdma_usart1_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
    hdma_usart1_rx.Init.PeripheralInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_usart1_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_usart1_rx.Init.PeripheralDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart1_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_usart1_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    hdma_usart1_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
    HAL_DMA_Init(&hdma_usart1_rx);

    __HAL_LINKDMA(&huart1, hdmarx, hdma_usart1_rx);

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

    // 启动DMA接收
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buffer, RX_BUFFER_SIZE);
}

这段代码完成了底层资源配置。其中最关键的一步是调用 __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE) 开启空闲中断，以及 HAL_UART_Receive_DMA() 启动DMA搬运。此后，只要数据进来，DMA就会自动处理，无需CPU插手。

真正的“大脑”在中断服务函数中：

void USART1_IRQHandler(void)
{
    uint32_t tmp_sr = huart1.Instance->SR;
    uint32_t tmp_dr = huart1.Instance->DR; // 必须读取DR以清除IDLE标志

    if (tmp_sr & UART_FLAG_IDLE)
    {
        // 停止DMA以便安全读取计数器
        HAL_UART_DMAStop(&huart1);

        // 计算已接收字节数
        received_len = RX_BUFFER_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart1_rx);

        // 标记接收完成
        rx_complete_flag = 1;

        // 重启DMA，准备接收下一帧
        HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buffer, RX_BUFFER_SIZE);
    }
}

这里有几个工程实践中必须注意的细节：

必须先读SR再读DR ：这是清除IDLE标志的唯一合法方式。只读SR无法清除标志，会导致中断重复进入。
调用 HAL_UART_DMAStop() ：虽然不是绝对必要，但在重新启动DMA前显式停止，可避免某些边缘情况下的DMA状态异常。
立即重启DMA ：确保系统始终处于监听状态，防止丢失后续数据帧。

最后，在主循环中处理接收到的数据：

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    UART_DMA_Init();

    while (1)
    {
        if (rx_complete_flag && received_len > 0)
        {
            // 示例：回显接收到的数据
            HAL_UART_Transmit(&huart1, rx_buffer, received_len, 100);

            // 清除标志
            rx_complete_flag = 0;
            received_len = 0;
        }

        // 其他任务：传感器采样、按键扫描、网络上报等...
    }
}

你会发现，主循环变得异常清爽。所有的串口接收工作都被下放给了硬件和中断服务程序，主程序只需关心“有没有新数据来了”，然后做相应的业务处理即可。

当然，真实项目远比示例复杂。以下是一些来自实战的经验建议：