直接存储器访问(Direct Memory Access),简称DMA。DMA是CPU一个用于数据从一个地址空间到另一地址空间“搬运”(拷贝)的组件,数据拷贝过程不需CPU干预,数据拷贝结束则通知CPU处理。
因此,大量数据拷贝时,使用DMA可以释放CPU资源。DMA数据拷贝过程,典型的有:
串口(uart)是一种低速的串行异步通信,适用于低速通信场景,通常使用的波特率小于或等于115200bps。
对于小于或者等于115200bps波特率的,而且数据量不大的通信场景,一般没必要使用DMA,或者说使用DMA并未能充分发挥出DMA的作用。
对于数量大,或者波特率提高时,必须使用DMA以释放CPU资源,因为高波特率可能带来这样的问题:
因此,高波特率场景下,串口非常有必要使用DMA。
关于STM32串口使用DMA,不乏一些开发板例程及网络上一些博主的使用教程。使用步骤、流程、配置基本大同小异,正确性也没什么毛病,但都是一些基本的Demo例子,作为学习过程没问题;实际项目使用缺乏严谨性,数据量大时可能导致数据异常。
测试平台:
关键步骤
【1】初始化串口
【2】使能串口DMA接收模式,使能串口空闲中断
【3】配置DMA参数,使能DMA通道buf半满(传输一半数据)中断、buf溢满(传输数据完成)中断
为什么需要使用DMA 通道buf半满中断?
很多串口DMA模式接收的教程、例子,基本是使用了“空间中断”+“DMA传输完成中断”来接收数据。
实质上这是存在风险的,当DMA传输数据完成,CPU介入开始拷贝DMA通道buf数据,如果此时串口继续有数据进来,DMA继续搬运数据到buf,就有可能将数据覆盖,因为DMA数据搬运是不受CPU控制的,即使你关闭了CPU中断。
严谨的做法需要做双buf,CPU和DMA各自一块内存交替访问,即是"乒乓缓存” ,处理流程步骤应该是这样:
【1】第一步,DMA先将数据搬运到buf1,搬运完成通知CPU来拷贝buf1数据
【2】第二步,DMA将数据搬运到buf2,与CPU拷贝buf1数据不会冲突
【3】第三步,buf2数据搬运完成,通知CPU来拷贝buf2数据
【4】执行完第三步,DMA返回执行第一步,一直循环
STM32F0系列DMA不支持双缓存(以具体型号为准)机制,但提供了一个buf"半满中断"。
即是数据搬运到buf大小的一半时,可以产生一个中断信号。基于这个机制,我们可以实现双缓存功能,只需将buf空间开辟大一点即可。
【1】第一步,DMA将数据搬运完成buf的前一半时,产生“半满中断”,CPU来拷贝buf前半部分数据
【2】第二步,DMA继续将数据搬运到buf的后半部分,与CPU拷贝buf前半部数据不会冲突
【3】第三步,buf后半部分数据搬运完成,触发“溢满中断”,CPU来拷贝buf后半部分数据
【4】执行完第三步,DMA返回执行第一步,一直循环
UART2 DMA模式接收配置代码如下,与其他外设使用DMA的配置基本一致,留意关键配置:
5.3 接收处理DMA 错误中断“DMA_IT_TE”,一般用于前期调试使用,用于检查DMA出现错误的次数,发布软件可以不使能该中断。
基于上述描述机制,DMA方式接收串口数据,有三种中断场景需要CPU去将buf数据拷贝到fifo中,分别是:
前两者场景,前面文章已经描述。串口空闲中断指的是,数据传输完成后,串口监测到一段时间内没有数据进来,则触发产生的中断信号。
数据传输过程是随机的,数据大小也是不定的,存在几类情况:
因此,我们需根据“DMA通道buf大小”、“DMA通道buf剩余空间大小”、“上一次接收的总数据大小”来计算当前接收的数据大小。
/* 获取DMA通道接收buf剩余空间大小 */DMA通道buf溢满场景计算
接收数据大小 = DMA通道buf大小 - 上一次接收的总数据大小DMA通道buf溢满中断处理函数:
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void uart_dmarx_done_isr(uint8_t uart_id)DMA通道buf半满场景计算
接收数据大小 = DMA通道接收总数据大小 - 上一次接收的总数据大小DMA通道buf半满中断处理函数:
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void uart_dmarx_half_done_isr(uint8_t uart_id)串口空闲中断场景计算
串口空闲中断场景的接收数据计算与“DMA通道buf半满场景”计算方式是一样的。
串口空闲中断处理函数:
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void uart_dmarx_idle_isr(uint8_t uart_id)5.3.2 接收数据偏移地址注:串口空闲中断处理函数,除了将数据拷贝到串口接收fifo中,还可以增加特殊处理,如作为串口数据传输完成标识、不定长度数据处理等等。
将有效数据拷贝到fifo中,除了需知道有效数据大小外,还需知道数据存储于DMA 接收buf的偏移地址。
有效数据偏移地址只需记录上一次接收的总大小即,可,在DMA通道buf全满中断处理函数将该值清零,因为下一次数据将从buf的开头存储。
在DMA通道buf溢满中断处理函数中将数据偏移地址清零:
void uart_dmarx_done_isr(uint8_t uart_id)经过前面的处理步骤,已将串口数据拷贝至接收fifo,应用程序任务只需从fifo获取数据进行处理。前提是,处理效率必须大于DAM接收搬运数据的效率,否则导致数据丢失或者被覆盖处理。
关键步骤
【1】初始化串口
【2】使能串口DMA发送模式
【3】配置DMA发送通道,这一步无需在初始化设置,有数据需要发送时才配置使能DMA发送通道
UART2 DMA模式发送配置代码如下,与其他外设使用DMA的配置基本一致,留意关键配置:
串口待发送数据存于发送fifo中,发送处理函数需要做的的任务就是循环查询发送fifo是否存在数据,如存在则将该数据拷贝到DMA发送buf中,然后启动DMA传输。
前提是需要等待上一次DMA传输完毕,即是DMA接收到DMA传输完成中断信号"DMA_IT_TC"。
串口发送处理函数:
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void uart_poll_dma_tx(uint8_t uart_id)注:关于DMA发送数据启动函数,有些博客文章描述只需改变DMA发送buf的大小即可;经过测试发现,该方法在发送数据量较小时可行,数据量大后,导致发送失败,而且不会触发DMA发送完成中断。因此,可靠办法是:每次启动DMA发送,重新配置DMA通道所有参数。该步骤只是配置寄存器过程,实质上不会占用很多CPU执行时间。
DMA传输完成中断处理函数:
void uart_dmatx_done_isr(uint8_t uart_id)上述串口发送处理函数可以在几种情况调用:
每次拷贝多少数据量到DMA发送buf:
关于这个问题,与具体应用场景有关,遵循的原则就是:只要发送fifo的数据量大于等于DMA发送buf的大小,就应该填满DMA发送buf,然后启动DMA传输,这样才能充分发挥会DMA性能。
因此,需兼顾每次DMA传输的效率和串口数据流实时性,参考着几类实现:
依赖的fifo参考该文章:
通用环形缓冲区模块:
https://acuity.blog.csdn.net/article/details/78902689
代码仓库:
https://github.com/Prry/stm32f0-uart-dma
串口&DMA底层配置:
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#include <stddef.h>压力测试:
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