📚 课程目录第4章 DMA与串口

4、DMA与串口：串口DMA发送、串口DMA接收、环形缓冲区设计、空闲中断+DMA接收不定长数据

串口通信，可以说是嵌入式开发里最常用的外设了。但很多人用串口，还是老一套——中断里一个字节一个字节地收，CPU 被频繁打断，高负载下很容易丢数据。我刚开始做项目时也这样，直到有一次产品在现场频繁丢日志，排查了三天才发现是中断响应不过来。

从那以后，我养成了一个习惯：只要波特率超过 115200，或者数据量稍大，一律上 DMA。这一章，我就把串口 DMA 的几种玩法掰开揉碎讲清楚。

4.1 串口 DMA 发送：让 CPU 彻底解放

先看发送。传统方式下，你要往串口发一包数据，得在循环里等 TXE 标志位，或者进中断一个字节一个字节地塞。CPU 全程被占用，干不了别的。

DMA 发送的思路很简单：你把数据缓冲区的地址告诉 DMA，把长度告诉 DMA，然后启动传输。剩下的，DMA 自己会把数据从内存搬到串口数据寄存器，发完再通知你。

  核心配置步骤：
  使能 DMA2 时钟（STM32F4 系列串口 TX 通常挂在 DMA2 上）
配置 DMA 数据流、通道、外设地址（&USARTx->DR）、内存地址（你的发送缓冲区）
方向：内存到外设；增量模式：内存地址增量，外设地址固定
使能传输完成中断（可选，用于发送完毕后的回调）
调用 HAL_UART_Transmit_DMA() 启动

// 伪代码示例：串口 DMA 发送配置
void UART_DMA_Send_Config(void)
{
    __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();

    hdma_tx.Instance = DMA2_Stream7;
    hdma_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4;
    hdma_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
    hdma_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    hdma_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;

    HAL_DMA_Init(&hdma_tx);
    __HAL_LINKDMA(&huart1, hdmatx, hdma_tx);
}

// 发送一帧数据
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buffer, len);

我的经验：发送完成后，记得在 HAL_UART_TxCpltCallback() 里关闭 DMA 或释放信号量。否则连续发送时，上一次还没发完，下一次又启动了，数据会乱掉。

4.2 串口 DMA 接收：环形缓冲区是标配

接收比发送麻烦一点。DMA 接收是把数据从串口 DR 寄存器自动搬到内存缓冲区。但有个问题：DMA 是连续搬运的，如果缓冲区满了，新数据会覆盖旧数据。

解决方案就是——环形缓冲区。我几乎在每个项目里都用它，简单可靠。

  环形缓冲区核心要素：
  一个固定大小的数组（比如 512 字节）
两个指针/索引：读指针（应用程序取数据用）和写指针（DMA 写入用）
判空：读指针 == 写指针
判满：(写指针 + 1) % 缓冲区大小 == 读指针

// 环形缓冲区结构体
typedef struct {
    uint8_t buffer[RING_BUFFER_SIZE];
    volatile uint16_t head;  // 写索引（DMA 写入位置）
    volatile uint16_t tail;  // 读索引（应用程序读取位置）
} RingBuffer_t;

// 写入一个字节
void RingBuffer_Write(RingBuffer_t *rb, uint8_t data)
{
    uint16_t next = (rb->head + 1) % RING_BUFFER_SIZE;
    if (next != rb->tail) {  // 未满
        rb->buffer[rb->head] = data;
        rb->head = next;
    }
}

// 读取一个字节
uint8_t RingBuffer_Read(RingBuffer_t *rb, uint8_t *data)
{
    if (rb->head == rb->tail) return 0;  // 空
    *data = rb->buffer[rb->tail];
    rb->tail = (rb->tail + 1) % RING_BUFFER_SIZE;
    return 1;
}

注意：DMA 接收时，写指针由硬件自动更新，读指针由软件维护。这两个变量必须用 volatile 修饰，否则编译器优化会出问题。我曾经因为这个 bug 排查了两天，数据总是对不上。

4.3 空闲中断 + DMA 接收不定长数据

实际项目中，你永远不知道对方会发多少字节。可能是 5 个，也可能是 200 个。这时候就需要空闲中断了。

空闲中断（IDLE Interrupt）是串口的一个硬件特性：当接收线上超过一个字节的时间没有新数据到来时，就会触发空闲中断。配合 DMA，就能实现不定长接收。

  实现思路：
  开启串口 DMA 接收（循环模式或正常模式）
开启串口空闲中断
DMA 持续把数据搬入环形缓冲区
当一帧数据发送完毕，总线空闲，触发空闲中断
在空闲中断里，计算本次接收到的数据长度，置位帧完成标志

// 空闲中断处理函数
void USART1_IRQHandler(void)
{
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE)) {
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1);

        // 停止 DMA，计算已接收字节数
        HAL_UART_DMAStop(&huart1);
        uint16_t received = RING_BUFFER_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_rx);

        // 更新环形缓冲区写指针
        ring_buf.head = (ring_buf.tail + received) % RING_BUFFER_SIZE;

        // 置位帧接收完成标志
        frame_received = 1;

        // 重新启动 DMA 接收
        HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, ring_buf.buffer, RING_BUFFER_SIZE);
    }
    HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}

避坑指南：我曾经在空闲中断里直接处理数据，结果导致中断服务函数执行时间过长，影响了其他中断。后来我改成在空闲中断里只置位标志位，在主循环里处理数据。记住：中断里只做最轻量的事。

4.4 三种接收模式对比

模式	CPU 占用	适用场景	缺点
轮询接收	高（持续占用）	简单调试、低波特率	阻塞，无法处理其他任务
中断接收	中（每字节中断一次）	小数据量、不定长	高波特率下中断频繁
DMA + 空闲中断	低（仅帧结束时中断）	大数据量、高波特率	实现稍复杂，需环形缓冲区

我个人强烈推荐第三种。虽然配置起来多几行代码，但带来的性能提升是实打实的。你想想看，115200 波特率下，每 86 微秒就有一个字节，如果用中断接收，CPU 每 86 微秒就要被打断一次。而用 DMA，CPU 可以连续跑几百微秒甚至几毫秒才处理一次数据。

4.5 整体架构图

下面这张图展示了串口 DMA 接收 + 空闲中断 + 环形缓冲区的完整数据流。我画这张图时特意把关键路径标出来了，方便你理解。

数据从串口外设进来，DMA 自动搬运到环形缓冲区。当一帧数据结束，总线空闲，触发空闲中断。中断里计算本次接收长度、更新写指针、置位标志。主循环检测到标志后，从环形缓冲区读取数据并处理。整个过程，CPU 只在帧结束时被中断一次。

又一个坑：DMA 接收缓冲区的大小要设置合理。太小了容易溢出，太大了浪费内存。我一般根据最大帧长度乘以 2 来设置。比如最大帧 256 字节，缓冲区就设 512 字节。这样即使处理不及时，也能缓冲一帧半的数据。

好了，这一章的内容就这些。串口 DMA 这块，说白了就是用硬件搬运代替软件搬运，用帧中断代替字节中断。配置起来虽然多几行代码，但带来的性能提升是立竿见影的。你可以在自己的项目里试试，把原来的中断接收改成 DMA + 空闲中断，看看 CPU 占用率降了多少。