DMA详解以及串口数据处理的应用
使用场景
-
串口中断模式收发数据
一般使用串口收发数据时，我们通常会使用串口中断，具体实现：- 发送数据寄存器每传递一字节数据给发送移位寄存器，都会触发一次发送数据寄存器空中断，呼叫CPU，CPU从内存变量中搬运下一位数据到发送数据寄存器。
- 接收数据寄存器每从接收移位寄存器获得一字节数据，都会触发一次接收数据寄存器非空中断，呼叫CPU，把数据搬运到内存变量当中。
-
使用串口中断模式收发数据的问题
- 对CPU来说，处理任务屡屡被打断，在中断搬运数据与处理正常任务代码之间来回跳转。
- 使用中断比较多的时候，串口中断的优先级又比较低的时候，串口来不及收数据，导致数据丢失。
-
解决方法
使用DMA来搬运数据。使用DMA，让DMA在寄存器和内存之间搬运数据。
DMA简述
- DMA：全称（Direct Memory Access）：直接内存访问。
- 独立于CPU，用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。
- 还有一个仲裁器来协调各个DMA请求的优先权。DMA2只存在于大容量的单片机中。
DMA使用方式
1. 创建一条DMA通道
- STM32F10x系列芯片最多有两个DMA控制器，包含DMA1和DMA2。
- DMA1有7个通道，DMA2有5个通道。每个通道专门用来管理来自于一个或多个外设对存储器访问的请求。
- 如图所示：分别是DMA1的7个通道，对应相关的外设和DMA2的5个通道对应相关的外设。每个通道对应一个请求，同一时候只有一个请求生效。所以通道具有优先级，每个通道的优先级可以设置，如果优先级相同，通道号小的优先级高。
- 以串口2（USART2）为例，通过查看上面的图片，找到对应的DMA1的通道6有USART2_RX，DMA1的通道7有USART2_TX。
- STM32F1系列芯片中，USART2使用的是PA2（USART2_TX）和PA3（USART2_RX）。
| 外设 | GPIO口 | DMA请求通道 | 传输方向 |
|---|---|---|---|
| USART2_TX | PA2 | DMA1通道7 | RAM->USART2 |
| USART2_RX | PA3 | DMA1通道6 | USART2->RAM |
2. 初始化配置
- 首先定义3个缓冲区，一个发送缓冲区，两个接收缓冲区。两个接收缓冲区是为了做双缓冲区，目的是为了防止后一次传输的数据覆盖前一次传输的数据，并且留出足够的时间让CPU处理缓冲区数据。
#define USART2_MAX_TX_LEN 1024
#define USART2_MAX_RX_LEN 1024
u8 USART2_TX_BUF[USART2_MAX_TX_LEN]; //发送缓冲,最大USART2_MAX_TX_LEN字节
u8 u1rxbuf[USART2_MAX_RX_LEN]; //接收数据缓冲区1
u8 u2rxbuf[USART2_MAX_RX_LEN]; //接收数据缓冲区2
u8 witchbuf=0; //标记当前使用的是哪个缓冲区,0：使用u1rxbuf；1：使用u2rxbuf
u8 USART2_TX_FLAG=0; //USART2发送标志，启动发送时置1
u8 USART2_RX_FLAG=0; //USART2接收标志，启动接收时置1
- 初始化串口2（USART2），配置中断，配置DMA通道及相关信息。
void DMA1_USART2_Init(void)
{
DMA_InitTypeDef DMA1_Init;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE); //使能DMA1时钟
//DMA_USART2_RX USART2->RAM的数据传输
DMA_DeInit(DMA1_Channel6); //将DMA的通道6寄存器重设为缺省值
DMA1_Init.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)(&USART2->DR); //启动传输前装入实际RAM地址
DMA1_Init.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)u1rxbuf; //设置接收缓冲区首地址
DMA1_Init.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; //数据传输方向，从外设读取到内存
DMA1_Init.DMA_BufferSize = USART2_MAX_RX_LEN; //DMA通道的DMA缓存的大小
DMA1_Init.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址寄存器不变
DMA1_Init.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //内存地址寄存器递增
DMA1_Init.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; //数据宽度为8位
DMA1_Init.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte; //数据宽度为8位
DMA1_Init.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; //工作在正常模式
DMA1_Init.DMA_Priority = DMA_Priority_High; //DMA通道 x拥有高优先级
DMA1_Init.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //DMA通道x没有设置为内存到内存传输
DMA_Init(DMA1_Channel6,&DMA1_Init); //对DMA通道6进行初始化
//DMA_USART2_TX RAM->USART2的数据传输
DMA_DeInit(DMA1_Channel7); //将DMA的通道7寄存器重设为缺省值
DMA1_Init.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)(&USART2->DR); //启动传输前装入实际RAM地址
DMA1_Init.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)USART2_TX_BUF; //设置发送缓冲区首地址
DMA1_Init.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; //数据传输方向，从内存发送到外设
DMA1_Init.DMA_BufferSize = USART2_MAX_TX_LEN; //DMA通道的DMA缓存的大小
DMA1_Init.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址寄存器不变
DMA1_Init.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //内存地址寄存器递增
DMA1_Init.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; //数据宽度为8位
DMA1_Init.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte; //数据宽度为8位
DMA1_Init.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; //工作在正常模式
DMA1_Init.DMA_Priority = DMA_Priority_High; //DMA通道 x拥有高优先级
DMA1_Init.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //DMA通道x没有设置为内存到内存传输
DMA_Init(DMA1_Channel7,&DMA1_Init); //对DMA通道7进行初始化
//DMA1通道6 NVIC 配置
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel6_IRQn; //NVIC通道设置
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3 ; //抢占优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //子优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据指定的参数初始化NVIC寄存器
//DMA1通道7 NVIC 配置
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel7_IRQn; //NVIC通道设置
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 3 ; //抢占优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; //子优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据指定的参数初始化NVIC寄存器
DMA_ITConfig(DMA1_Channel6,DMA_IT_TC,ENABLE); //开USART2 Rx DMA中断
DMA_ITConfig(DMA1_Channel7,DMA_IT_TC,ENABLE); //开USART2 Tx DMA中断
DMA_Cmd(DMA1_Channel6,ENABLE); //使DMA通道6停止工作
DMA_Cmd(DMA1_Channel7,DISABLE); //使DMA通道7停止工作
USART_DMACmd(USART2, USART_DMAReq_Tx, ENABLE); //开启串口DMA发送
USART_DMACmd(USART2, USART_DMAReq_Rx, ENABLE); //开启串口DMA接收
}
- 在初始化中，我们告诉了DMA将数据从哪里搬到哪里（源地址—>目标地址）。 DMA会在合适的时机帮助我们进行内存搬运。等全部搬运完成，通过中断提醒我们。 注意：串口的中断优先级应低于串口DMA通道的中断优先级。
- 配置串口USART2。这里开启了串口空闲中断，因为通常情况下我们是不知道接收数据的长度的，没有办法利用DMA传输完成标志位来判断是否完成接收，所以这里采用串口空闲中断来判断数据是否接收完成，接收完成了会进入串口空闲中断。
void Initial_UART2(unsigned long baudrate)
{
//GPIO端口设置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART2 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能USART2，GPIOA时钟
//USART2_TX GPIOA.2初始化
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2; //PA.2
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //GPIO速率50MHz
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化GPIOA.2
//USART2_RX GPIOA.3初始化
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3; //PA.3
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); //初始化GPIOA.3
//USART 初始化设置
USART_InitStructure.USART_BaudRate = baudrate; //串口波特率
USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; //字长为8位数据格式
USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; //一个停止位
USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No ; //无奇偶校验位
USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; //无硬件数据流控制
USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; //收发模式
USART_Init(USART2, &USART_InitStructure); //初始化串口2
//中断开启设置
USART_ITConfig(USART2, USART_IT_IDLE, ENABLE); //开启检测串口空闲状态中断
USART_ClearFlag(USART2,USART_FLAG_TC); //清除USART2标志位
USART_Cmd(USART2, ENABLE); //使能串口2
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART2_IRQn; //NVIC通道设置
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 8; //抢占优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; //响应优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据指定的参数初始化NVIC寄存器
DMA1_USART2_Init(); //DMA1_USART2初始化
}
- 串口配置的最后进行了串口2（USART2）DMA的初始化，这样直接初始化串口也直接包括了串口DMA的初始化，主函数初始化只需一步即可。
3. 发送串口数据
1. 使用数组的形式发送
默认情况下，关闭DMA1通道7（即串口2的DMA发送通道），因为一旦开启通道7就会开始发送数据，没有要发送数据时是要关闭的。具体发送步骤如下：
- 判断上一次发送数据是否完成，未完成就等待数据发送完成。有两种方法，一种是直接判断DMA传输完成标志位，另一种判断我们自己定义全局变量USART2_TX_FLAG是否置1。
- 指定发送缓冲区首地址，也就是待发送数据的地址。
- 指定待发送数据的长度。
- 开启DMA通道7，启动DMA发送。
- 产生DMA通道7传输完成中断，清除中断标志位。
- 关闭DMA通道7，并清除USART2_TX_FLAG（清0）。
//DMA 发送
void DMA_USART2_Tx_Data(u8 *buffer, u32 size)
{
while(USART2_TX_FLAG); //等待上一次发送完成（USART2_TX_FLAG为1即还在发送数据）
USART2_TX_FLAG=1; //USART2发送标志（启动发送）
DMA1_Channel7->CMAR = (uint32_t)buffer; //设置要发送的数据地址
DMA1_Channel7->CNDTR = size; //设置要发送的字节数目
DMA_Cmd(DMA1_Channel7, ENABLE); //开始DMA发送
}
//DMA1通道7中断
void DMA1_Channel7_IRQHandler(void)
{
if(DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC7)!= RESET) //DMA接收完成标志
{
DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC7); //清除中断标志
USART_ClearFlag(USART2,USART_FLAG_TC); //清除串口2的标志位
DMA_Cmd(DMA1_Channel7, DISABLE ); //关闭USART2 TX DMA1 所指示的通道
USART2_TX_FLAG=0; //USART2发送标志(关闭)
}
}
2. 使用printf形式发送
printf形式发送数据也是比较常用的。
#include "string.h"
#include <stdarg.h>
void USART2_printf(char *format, ...)
{
//VA_LIST 是在C语言中解决变参问题的一组宏，所在头文件：#include <stdarg.h>，用于获取不确定个数的参数。
va_list arg_ptr; //实例化可变长参数列表
while(USART2_TX_FLAG); //等待上一次发送完成（USART2_TX_FLAG为1即还在发送数据）
va_start(arg_ptr, format); //初始化可变参数列表，设置format为可变长列表的起始点（第一个元素）
// USART2_MAX_TX_LEN+1可接受的最大字符数(非字节数，UNICODE一个字符两个字节), 防止产生数组越界
vsnprintf((char*)USART2_TX_BUF, USART2_MAX_TX_LEN+1, format, arg_ptr); //从USART2_TX_BUF的首地址开始拼合，拼合format内容；USART2_MAX_TX_LEN+1限制长度，防止产生数组越界
va_end(arg_ptr); //注意必须关闭
DMA_USART2_Tx_Data(USART2_TX_BUF,strlen((const char*)USART2_TX_BUF)); //发送USART2_TX_BUF内容
}
4. 串口接收数据
接收数据需要注意有3个概念，双缓冲区、接收定长数据、不定长数据。
1. 双缓冲区
- 应用场景：如果接收中断间隔时间非常短（即发送数据帧的速率很快），MCU来不及处理此次接收到的数据，又产生中断，这时不能直接开启DMA通道，否则数据会被覆盖。
- 解决方式：
- 在重新开启接收DMA通道之前，将DMA_Rx_Buf缓冲区里面的数据复制到另外一个数组中，然后再开启DMA，然后马上处理复制出来的数据。
- 建立双缓冲，设置一个缓冲区标志（用来指示当前处在哪个缓冲区），每完成一次传输就通过重新配置DMA_MemoryBaseAddr的缓冲区地址，下次传输数据就会保存到新的缓冲区中，可以通过自定义缓存区标志来判断和切换，这样可以避免缓冲区数据来不及处理就被覆盖的情况，也能为处理数据留出更多地时间（指到下次传输完成）。
2. 接收定长数据
- 接收定长数据使用DMA传输完成中断，只要DMA通道的DMA缓存的大小不变，每次缓存满了就会产生DMA传输完成中断，这样就能保住每次接收到的数据都是一样长度的。
//处理DMA1 通道6的接收完成中断
void DMA1_Channel6_IRQHandler(void)
{
u8 *p;
if(DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC6)!= RESET) //DMA接收完成标志
{
DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC6); //清除中断标志
USART_ClearFlag(USART2,USART_FLAG_TC); //清除USART2标志位
DMA_Cmd(DMA1_Channel6, DISABLE ); //关闭USART2 TX DMA1 所指示的通道
if(witchbuf) //之前用的u2rxbuf，切换为u1rxbuf
{
p=u2rxbuf; //先保存前一次数据地址再切换缓冲区
DMA1_Channel6->CMAR=(u32)u1rxbuf; //切换为u1rxbuf缓冲区地址
witchbuf=0; //下一次切换为u2rxbuf
}else //之前用的u1rxbuf，切换为u2rxbuf
{
p=u1rxbuf; //先保存前一次数据地址再切换缓冲区
DMA1_Channel6->CMAR=(u32)u2rxbuf; //切换为u2rxbuf缓冲区地址
witchbuf=1; //下一次切换为u1rxbuf
}
DMA1_Channel6->CNDTR = USART2_MAX_RX_LEN; //DMA通道的DMA缓存的大小
DMA_Cmd(DMA1_Channel6, ENABLE); //使能USART2 TX DMA1 所指示的通道
DMA_USART2_Tx_Data(p,USART2_MAX_RX_LEN);
}
}
- 采用了双缓冲的方式，这样就有足够的时间来处理数据。处理数据的时间为DMA通道重新开启到下一次中断产生（也就意味着处理数据的时间包括两次数据传输间的部分空闲时间 + 下次传输数据过程的时间），测试接收间隔时间1ms数据包也都不成问题。
3. 接收不定长数据
- 接收不定长数据每次传输都会有间隔时间，由此可以利用串口空闲中断来判断一次数据传输是否完成。
- 虽定义了两个缓冲区，但对于不定长数据，还必须知道所接收数据的长度，只有这样才能正确处理数据。可以借助DMA的一个库函数DMA_GetCurrDataCounter()或直接读DMA通道传输数量寄存器(DMA_CNDTRx)。
//串口2中断函数
void USART2_IRQHandler(void)
{
u8 *p;
u8 USART2_RX_LEN = 0; //接收数据长度
if(USART_GetITStatus(USART2, USART_IT_IDLE) != RESET) //串口2空闲中断
{
USART_ReceiveData(USART2); //清除串口2空闲中断IDLE标志位
USART_ClearFlag(USART2,USART_FLAG_TC); //清除USART2标志位
DMA_Cmd(DMA1_Channel6, DISABLE ); //关闭USART2 TX DMA1 所指示的通道
USART2_RX_LEN = USART2_MAX_RX_LEN - DMA1_Channel6->CNDTR; //获得接收到的字节数
if(witchbuf) //之前用的u2rxbuf，切换为u1rxbuf
{
p=u2rxbuf; //先保存前一次数据地址再切换缓冲区
DMA1_Channel6->CMAR=(u32)u1rxbuf; //切换为u1rxbuf缓冲区地址
witchbuf=0; //下一次切换为u2rxbuf
}else //之前用的u1rxbuf，切换为u2rxbuf
{
p=u1rxbuf; //先保存前一次数据地址再切换缓冲区
DMA1_Channel6->CMAR=(u32)u2rxbuf; //切换为u2rxbuf缓冲区地址
witchbuf=1; //下一次切换为u1rxbuf
}
DMA1_Channel6->CNDTR = USART2_MAX_RX_LEN; //DMA通道的DMA缓存的大小
DMA_Cmd(DMA1_Channel6, ENABLE); //使能USART2 TX DMA1 所指示的通道
DMA_USART2_Tx_Data(p,USART2_RX_LEN);
}
}
- DMA通道传输数量寄存器(DMA_CNDTRx)在通道开启后该寄存器变为只读，指示剩余的待传输字节数目。寄存器内容在每次DMA传输后递减。所以用掉缓冲区大小=总缓冲区大小 - 剩下缓冲区大小，也就是接收数据的长度。
USART_ReceiveData(USART2); //清除串口2空闲中断IDLE标志位
为什么不用USART_ClearITPendingBit(USART2,USART_IT_IDLE);清除串口空闲中断标志位？
如果要清除空闲中断就必须读一次串口，使用USART_ReceiveData库函数读一次串口即可。
- 注意：可接收不定长数据的长度不可大于或等于缓冲区设定的大小，即
USART2_RX_LEN < USART2_MAX_RX_LEN。
扫一扫
1529
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
