【嵌入式开发学习】第9天：DMA 传输 + FreeRTOS 入门（提升系统效率与多任务管理）

最新推荐文章于 2025-11-24 18:55:40 发布

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核心目标：掌握 DMA（直接内存访问）的 “无 CPU 干预传输” 特性，解决串口 / I2C 传输占用 CPU 的问题；入门 FreeRTOS 实时操作系统，实现 “温湿度采集 + LED 闪烁 + 串口指令响应” 多任务并行，让系统从 “单任务循环” 升级为 “多任务协同”—— 这是嵌入式系统从 “简单控制” 到 “复杂应用” 的关键提升。

一、DMA 原理：嵌入式的 “数据搬运工”（30 分钟）

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是 STM32 的核心外设，作用是 “在不占用 CPU 的情况下，直接在外设（如串口、I2C）和内存之间传输数据”，相当于专门的 “数据搬运工”，解放 CPU 去处理更重要的任务。

1. 核心痛点：传统传输的 CPU 占用问题

之前用HAL_UART_Transmit（阻塞发送）或中断发送时，CPU 需要参与数据搬运：

阻塞发送：CPU 等待数据发送完成，期间无法做其他事；
中断发送：每次发送 1 字节 / 多字节都要触发中断，CPU 频繁响应中断，效率低；
DMA 传输：CPU 只需初始化 “搬运任务”（如 “把内存缓冲区的 100 字节通过串口发送”），之后 DMA 自动完成传输，CPU 可并行处理其他任务（如传感器采集、LED 控制）。

2. DMA 核心概念（新手必懂）

传输方向：外设→内存（如 I2C 接收传感器数据到内存）、内存→外设（如内存数据通过串口发送）；
通道：每个外设对应专属 DMA 通道（如 USART1_TX 对应 DMA1_Channel4，USART1_RX 对应 DMA1_Channel5，需查 STM32 datasheet 确认）；
传输模式：正常模式（传输一次后停止）、循环模式（反复传输指定数据）；
触发源：由外设事件触发 DMA 传输（如串口发送数据寄存器空时，触发 DMA 送数据）。

3. HAL 库 DMA 核心函数（重点记）

串口 DMA 发送：HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, 发送缓冲区, 数据长度);
串口 DMA 接收：HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, 接收缓冲区, 数据长度);
DMA 传输完成回调：HAL_UART_TxCpltCallback（发送完成）、HAL_UART_RxCpltCallback（接收完成）；
关键：DMA 传输无需 CPU 干预，回调函数仅用于通知 CPU “传输完成”（如更新缓冲区数据）。

二、实操 1：DMA 串口发送（解放 CPU，实现高效数据上传）

目标：用 DMA 替代传统串口发送，实现温湿度数据 1 秒上传（定时器触发），同时主循环中执行 LED 闪烁（验证 CPU 未被占用）。

步骤 1：CubeIDE 配置（DMA + 串口 + 定时器 + GPIO）

新建工程 “DMA_UART_Send”，选择 STM32F103C8T6；
配置串口 USART1：异步模式，波特率 9600，PA9=TX，PA10=RX；
启用 DMA 发送：
- 打开 USART1 配置页，点击 “DMA Settings”→“Add”，添加 TX 方向 DMA；
- 配置 DMA 参数：Channel 选 “DMA1_Channel4”（USART1_TX 对应通道）、Direction 选 “Memory to Peripheral”（内存→外设）、Mode 选 “Normal”（正常模式）；
配置定时器 TIM3：1 秒中断一次（PSC=7199，ARR=9999），使能中断；
配置 LED（PC13=GPIO_Output）；
生成初始化代码。

步骤 2：编写 DMA 发送逻辑

定义全局变量（main.c的 “USER CODE BEGIN 2” 区域）：

/* USER CODE BEGIN 2 */
uint32_t timer_count = 0;
float temp = 25.5, humi = 45.2;  // 模拟温湿度数据
uint8_t send_buf[50];  // DMA发送缓冲区
/* USER CODE END 2 */

主函数初始化（启动定时器和 LED 初始状态）：

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);  // LED初始熄灭
/* USER CODE END 2 */

定时器中断回调（触发 DMA 发送温湿度数据）：

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
  if (htim->Instance == TIM3) {
    // 1. 格式化温湿度数据到缓冲区
    sprintf((char*)send_buf, "DMA发送：温度=%.1f℃，湿度=%.1f%%RH\r\n", temp, humi);
    // 2. DMA串口发送（无需CPU等待，直接返回）
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf));
    // 3. 模拟数据更新
    temp += 0.1;
    if (temp > 30.0) temp = 25.0;
  }
}

主循环（LED 闪烁，验证 CPU 空闲）：

while (1)
{
  /* 主循环执行LED闪烁，不受DMA发送影响 */
  HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
  HAL_Delay(300);  // 300ms翻转一次，LED快速闪烁
  /* USER CODE END WHILE */
}

步骤 3：下载测试

串口助手配置 9600 波特率，打开串口；
现象：串口每秒收到一条 DMA 发送的数据，同时 LED 快速闪烁 —— 证明 DMA 传输未占用 CPU，CPU 可并行处理多个任务。

三、FreeRTOS 入门：嵌入式多任务管理（40 分钟）

FreeRTOS 是开源实时操作系统（RTOS），核心作用是 “管理多个任务，让 CPU 按优先级轮流执行”，解决传统 “单任务循环” 中 “一个任务阻塞，整个系统卡住” 的问题。

1. FreeRTOS 核心概念（新手必懂）

任务：最小执行单元（如 “温湿度采集任务”“LED 闪烁任务”“串口指令处理任务”），每个任务有独立的栈空间和优先级；
任务调度：FreeRTOS 的调度器按任务优先级，让高优先级任务优先执行，低优先级任务在高优先级任务空闲时执行；
任务状态：就绪（等待执行）、运行（正在执行）、阻塞（等待事件，如延时、信号量）；
核心 API（HAL 库适配版）：
- 创建任务：xTaskCreate(任务函数, 任务名, 栈大小, 参数, 优先级, 任务句柄);
- 启动调度器：vTaskStartScheduler();（启动后，CPU 由 FreeRTOS 管理）；
- 任务延时：vTaskDelay(延时 ticks);（ticks 是系统节拍，默认 1ms/tick）。

2. CubeIDE 配置 FreeRTOS

新建工程 “FreeRTOS_Demo”，选择 STM32F103C8T6；
启用 FreeRTOS：左侧 “Middleware→FreeRTOS”，选择 “CMSIS_V1”（新手友好）；
配置任务（可视化创建，无需手动写 API）：
- 点击 “Tasks and Queues”→“Add”，创建 3 个任务：
  1. 任务 1：TempHumi_Task（温湿度采集，优先级 2）；
  2. 任务 2：LED_Blink_Task（LED 闪烁，优先级 1）；
  3. 任务 3：UART_Process_Task（串口指令处理，优先级 3）；
配置串口 USART1（9600 波特率）、GPIO（PC13=LED）；
生成初始化代码（CubeIDE 自动生成 FreeRTOS 底层代码和任务框架）。

四、实操 2：FreeRTOS 多任务并行（3 个任务协同工作）

目标：实现 3 个任务并行执行，验证 “高优先级任务优先响应，低优先级任务后台运行”。

步骤 1：编写各任务逻辑（在`main.c`的 “USER CODE BEGIN 5” 区域）

FreeRTOS 任务函数是 “无限循环 + 阻塞延时” 的结构（避免 CPU 空转）：

温湿度采集任务（优先级 2，1 秒采集一次）：

/* USER CODE BEGIN 5 */
// 温湿度采集任务
void TempHumi_Task(void const * argument)
{
  float temp = 25.0, humi = 45.0;
  uint8_t send_buf[50];
  for(;;)  // 任务无限循环
  {
    // 模拟采集+格式化数据
    sprintf((char*)send_buf, "多任务：温度=%.1f℃，湿度=%.1f%%RH\r\n", temp, humi);
    // 串口发送（用之前的DMA或阻塞发送均可）
    HAL_UART_Transmit(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf), 100);
    // 任务延时1000ms（阻塞状态，CPU可执行其他任务）
    vTaskDelay(1000);
    // 模拟数据更新
    temp += 0.2;
    if (temp > 30.0) temp = 25.0;
  }
}

// LED闪烁任务（优先级1，500ms翻转一次）
void LED_Blink_Task(void const * argument)
{
  for(;;)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    vTaskDelay(500);  // 延时500ms
  }
}

// 串口指令处理任务（优先级3，最高，实时响应指令）
void UART_Process_Task(void const * argument)
{
  uint8_t recv_buf[10] = {0};
  uint8_t send_buf[50] = {0};
  for(;;)
  {
    // 串口接收指令（阻塞接收，等待电脑发送数据）
    HAL_UART_Receive(&huart1, recv_buf, 3, portMAX_DELAY);  // portMAX_DELAY：无限等待
    // 解析指令
    if (strcmp((char*)recv_buf, "ON\r") == 0) {
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
      sprintf((char*)send_buf, "指令响应：LED已点亮\r\n");
    } else if (strcmp((char*)recv_buf, "OFF\r") == 0) {
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
      sprintf((char*)send_buf, "指令响应：LED已熄灭\r\n");
    } else {
      sprintf((char*)send_buf, "指令响应：无效指令（支持ON/OFF）\r\n");
    }
    // 发送响应
    HAL_UART_Transmit(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf), 100);
    // 清空接收缓冲区
    memset(recv_buf, 0, sizeof(recv_buf));
  }
}
/* USER CODE END 5 */

步骤 2：启动 FreeRTOS 调度器（CubeIDE 自动生成，无需手动修改）

主函数中，CubeIDE 已自动添加调度器启动代码：

int main(void)
{
  // 初始化硬件（省略自动生成代码）
  MX_FREERTOS_Init();  // 初始化FreeRTOS任务
  vTaskStartScheduler();  // 启动调度器，CPU开始执行任务
  // 启动后不会执行到这里（除非调度器启动失败）
  for(;;)
  {
  }
}

步骤 3：下载测试（多任务并行验证）

串口助手配置 9600 波特率，打开串口；
现象：
- LED 每 500ms 闪烁一次（LED_Blink_Task）；
- 串口每 1 秒收到一条温湿度数据（TempHumi_Task）；
- 发送 “ON” 指令，LED 立即点亮并收到响应（UART_Process_Task 优先级最高，实时响应）；
- 发送 “OFF” 指令，LED 立即熄灭 ——3 个任务并行执行，互不干扰。