1 前言

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：

• 内存—>内存，内存间拷贝

• 外设—>内存，如uart、spi、i2c等总线接收数据过程

• 内存—>外设，如uart、spi、i2c等总线发送数据过程

2 串口有必要使用DMA吗

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：

• 对于发送，使用循环发送，可能阻塞线程，需要消耗大量CPU资源“搬运”数据，浪费CPU
• 对于发送，使用中断发送，不会阻塞线程，但需浪费大量中断资源，CPU频繁响应中断；以115200bps波特率，1s传输11520字节，大约69us需响应一次中断，如波特率再提高，将消耗更多CPU资源
• 对于接收，如仍采用传统的中断模式接收，同样会因为频繁中断导致消耗大量CPU资源

因此，高波特率场景下，串口非常有必要使用DMA。

3 实现方式

整体设计图

4 STM32串口使用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:

• STM32F030C8T6
• UART1/UART2
• DMA1 Channel2—Channel5
• ST标准库
• 主频48MHz（外部12MHz晶振）

在这里插入图片描述

5 串口DMA接收

5.1 基本流程

串口接收流程图

5.2 相关配置

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

双缓存DMA数据搬运过程

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

使用半满中断DMA数据搬运过程

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：

• 串口接收，DMA通道工作模式设为连续模式

• 使能DMA通道接收buf半满中断、溢满（传输完成）中断

• 启动DMA通道前清空相关状态标识，防止首次传输错乱数据

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。

5.3 接收处理

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：

• DMA通道buf溢满（传输完成）场景

• DMA通道buf半满场景

• 串口空闲中断场景

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。

5.3 .1 接收数据大小

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：

• 数据刚好是DMA接收buf的整数倍，这是理想的状态
• 数据量小于DMA接收buf或者小于接收buf的一半，此时会触发串口空闲中断

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 */
uint16_t DMA_GetCurrDataCounter(DMA_Channel_TypeDef* DMAy_Channelx);

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：

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通道接收总数据大小 = DMA通道buf大小 - DMA通道buf剩余空间大小

DMA通道buf半满中断处理函数：

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：

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。

5.3.2 接收数据偏移地址

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：

5.4 应用读取串口数据方法

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。

6 串口DMA发送

5.1 基本流程

串口发送流程图

5.2 相关配置

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：

• 串口发送是，DMA通道工作模式设为单次模式（正常模式），每次需要发送数据时重新配置DMA
• 使能DMA通道传输完成中断，利用该中断信息处理一些必要的任务，如清空发送状态、启动下一次传输
• 启动DMA通道前清空相关状态标识，防止首次传输错乱数据

5.3 发送处理

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：

• 注意发送状态标识，必须先置为“发送状态”，然后启动DMA 传输。如果步骤反过来，在传输数据量少时，DMA传输时间短，“DMA_IT_TC”中断可能比“发送状态标识置位”先执行，导致程序误判DMA一直处理发送状态（发送标识无法被清除）。

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：

上述串口发送处理函数可以在几种情况调用：

• 主线程任务调用，前提是线程不能被其他任务阻塞，否则导致fifo溢出

  

• 定时器中断中调用
  
• DMA通道传输完成中断中调用
  

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：

• 周期查询发送fifo数据，启动DMA传输，充分利用DMA发送效率，但可能降低串口数据流实时性
• 实时查询发送fifo数据，加上超时处理，理想的方法
• 在DMA传输完成中断中处理，保证实时连续数据流

6 串口设备

6.1 数据结构

6.2 对外接口

7 完整源码

代码仓库：

https://github.com/Prry/stm32f0-uart-dma

压力测试：

• 1.5Mbps波特率，串口助手每毫秒发送1k字节数据，stm32f0 DMA接收数据，再通过DMA发送回串口助手，毫无压力。
• 1.5Mbps波特率，可传输大文件测试，将接收数据保存为文件，与源文件比较。
• 串口高波特率测试需要USB转TLL工具及串口助手都支持才可行，推荐CP2102、FT232芯片的USB转TTL工具。

1.5Mbps串口回环压力测试