[嵌入式]stm32使用半满中断实现的高可靠串口数据收发

写在前面

串口在各种项目中可谓是太常用了，它也是搞嵌入式必须弄懂的一个通信协议，最近维护了很久的一个项目，设备内另一模块程序更新后出现了不稳定的情况，现象就是某个功能有时候正常有时候不正常，经排查是通信接口上出现了丢包导致的，通信的接口正是用的串口，然后经过多次优化，解决了问题，以此记录一下优化过程。

软硬件环境

软件：MDK5、stm32 HAL库

硬件：项目上主控芯片为stm32f407zet6(调试时使用的stm32f103c8t6)，整板外设只用了5个串口，2个硬件定时器。

库函数接口

首先看一下用到的库函数接口，不重要的忽略：

初始实现方式

由于项目中是自定义帧格式，而且每个帧长很短，不超过16字节，所以最开始串口接收使用的是DMA单字节接收，当检测接收到一个完整帧时，将收到的帧写入fifo，然后发送一个信号量，被阻塞的任务得到信号量后从fifo读取帧并作相应操作，大致流程如下：

这样的实现方式比较简单，在数据速率比较恒定的情况下是没有问题的，但最近与之通信的模块程序更新后，出现了偶尔突发数据量会很大的情况，这样就可能会丢失数据。

第一次优化

知道了问题所在后，进行第一次优化，经过分析有以下方案可以选用：

1. DMA(或中断)一次接收多字节
2. DMA加空闲中断

因为最终选用的第二种方式，所以说说为什么第一种方式不行，原因有以下几点：

• 对于中断方式来说一次接收多字节并未解决频繁中断的问题，还是会一个字节产生一次中断
• 单纯的DMA(或中断)必须要接收到指定数量的数据才能完全读走数据，否则数据会一直被缓存无法读取
• 通信数据帧是不定长的

空闲中断会在收到一个字节后指定时间内未收到下一个字节时产生，这样的话就可以在产生空闲中断时将收到的数据读走，而不会一直被缓存着，实现代码如下(在使能DMA接收的前提下)：

/* 初始化时使能空闲中断 */
__HAL_UART_ENABLE_IT(&UartHandle, UART_IT_IDLE);

/* 串口中断处理函数中增加对空闲中断的处理 */
void USART_IRQHandler(void)
{
    uint32_t tmp = 0;

    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&UartHandle, UART_FLAG_IDLE))
    {
        /* 清空闲中断标志位 */
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&UartHandle);
        /* 停止DMA接收 */
        HAL_UART_DMAStop(&UartHandle);
        /* 得到已接收数据长度 */
        tmp = UartHandle.RxXferSize - __HAL_DMA_GET_COUNTER(UartHandle.hdmarx);

        if(0 != tmp)
        {
            /* 存入数据到fifo */
        }
        /* 再次开启DMA接收 */
        HAL_UART_Receive_DMA(&UartHandle, UartHandle.pRxBuffPtr, UartHandle.RxXferSize);
    }

    HAL_UART_IRQHandler(&UartHandle);
}

理论上来说这样的话只要接收缓冲足够大，写入fifo的操作只会发生在产生空闲中断时，应该会大大缓解丢包的情况，但实际测试效果却不明显，并没有很好的处理突发数据的接收。
分析原因应该是由于DMA接收是不受控的，在处理空闲中断时短暂关闭了DMA的接收，而就是在这个关闭的过程中如果有新数据到来，则只能丢弃(并且会丢弃前面已接收的一部分数据)，从而产生丢包。

第二次优化

既然知道了是因为短暂关闭DMA导致的，那就一步到位，想办法不关闭DMA就能解决了，stm32的DMA除了满中断还有个半满中断，也就是接收数据过半时产生中断，那就可以在接收数据过半时将已收到的前半数据写入fifo，然后产生满中断时将后半数据写入fifo，此时DMA会自动将写指针移动到接收缓存的头部继续接收，循环这个过程，就不必关闭DMA，大致流程如下：

按照如上的流程进行优化后，的确没发现丢包的情况了，这种和stm32f4支持的多缓冲原理类似，但是多缓冲的话在stm32f103c8t6上面没有这个功能，我是在stm32f103c8t6上面验证的，所以没有使用多缓冲。
就在我以为这样就结束了时，又发现了新的问题，前面说过DMA要收到指定数量的数据时才会产生中断，那这里还漏了一种情况，那就是如果发送方发送过来的帧长不足以让DMA产生中断，那数据就会被缓存，直到满足条件才能读取，这样的话肯定不行，所以就得空闲中断上场了。

最后的修改

现在只需要将空闲中断加入上面那个流程，就能够应对各种情况了，因为是不定长帧，所以空闲中断会在接收的任意期间产生，我用一个全局变量head_ptr来保存缓冲区的读起始偏移，tail_ptr来保存缓冲区的读结束偏移(注意：tail_ptr是虚拟的，它的值有三种情况，后面会讲到)，这样实现一个类循环fifo结构。

1. 初始状态，head_ptr和tail_ptr都指向缓冲区首部，收到一帧数据后，没有新数据到来，触发空闲中断，在空闲中断回调函数中要做的操作就是读走这部分数据(图中1号区域，head_ptr与tail_ptr之间的数据)，并且将head_ptr移动到tail_ptr的位置，模型如下：(只要产生空闲中断，都适用此流程)
   

head_ptr = 上次tail_ptr的位置;
/* huart->RxXferSize为接收缓存的总大小，__HAL_DMA_GET_COUNTER获取的是还未接收的数据大小 */
tail_ptr = huart->RxXferSize - __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart->hdmarx);

2. 继续接收新数据，此为触发半满中断的情况，在半满中断回调函数中的操作是将head_ptr到tail_ptr之间的数据写入fifo(图中2号区域)，然后移动head_ptr到tail_ptr的位置，模型如下：
   

head_ptr = 上次tail_ptr的位置;
/* huart->RxXferSize为接收缓存的总大小，(huart->RxXferSize & 1)奇数时为1，偶数时为0 */
tail_ptr = (huart->RxXferSize >> 1) + (huart->RxXferSize & 1);

3. 继续接收数据直到产生满中断，在满中断回调函数中的操作也是将head_ptr到tail_ptr之间的数据写入fifo(图中3号区域)，然后移动head_ptr到tail_ptr的位置，模型如下：
   

head_ptr = 上次tail_ptr的位置;
/* huart->RxXferSize为接收缓存的总大小 */
tail_ptr = huart->RxXferSize;

至此各种情况就都考虑完整了，一个相对可靠的串口接收程序就实现了。

收发数据模型

此文源码我放在了我的码云仓库上，有需要的可以自行下载(https://gitee.com/wei513723/stm32-stable-uart-transmit-receive)，源码中可以通过宏进行选择使用中断接收、DMA接收、DMA加空闲中断接收三种方式，使用的程序收发数据模型如下：

结尾

关于源码中这几个宏的配置须知：

/*是否使能DMA接收*/
#define UART_USE_DMA_RX 1
/*是否使能DMA发送*/
#define UART_USE_DMA_TX 1

#if UART_USE_DMA_RX
    /*是否使能空闲中断*/
    #define UART_USE_IDLE_IT 1
#endif

/*配置接收缓冲区的大小*/
#define UART_BUF_SIZE 64

推荐：DMA+空闲中断方式

• 中断方式：缺点是中断频繁，每收到一个字节都会产生一次中断；必须接收到指定长度数据才能读走数据；适合定长数据帧；用不了DMA才推荐此种方式
• DMA方式：缺点是必须接收到指定长度数据才能读走数据；适合定长数据帧
• DMA加空闲中断：最优解

接收缓冲区大小根据自己需求而定，波特率越高，接收缓冲区大小相对的也应更大，接收fifo和发送fifo的大小也就越大。

欢迎扫码关注我的微信公众号