高手如何玩串口？-良许Linux教程网

大家好，我是良许。

本文是嵌入式系列干货的第 7 篇，以后将做到预计每周 2 篇嵌入式干货的频率发文。而且发布的文章尽量成体系，方便大家学习交流。

良许的文章全部首发网站: www.lxlinux.net/e/ ，欢迎大家保存。

本文目录如下，全文 5000 字，无废话完全干货，请君阅读。

玩转 STM32 单片机，肯定离不开串口。串口使用一个称为串行通信协议的协议来管理数据传输，该协议在数据传输期间控制数据流，包括数据位数、波特率、校验位和停止位等。由于串口简单易用，在各种产品交互中都有广泛应用。

但在使用串口通讯的时候，我们并不知道对方会发送多少个数据，也不知道数据什么时候发送完，简单来讲就是：如何确保收到一帧完整的数据？

串口发送的数据有长有短，如果没有接收完整，肯定会影响后续业务的处理。为了接收不定长数据，常见的处理方法有：

\1. 固定格式

比如双方约定，一帧的数据以 AA BB 开头，以 BB AA 结尾，这样在从机接收数据的时候，一旦收到 AA BB 字符，就知道对方要发来一个数据包了，然后就把后面发来的数据保存起来，直到接收到 BB AA 为止。

这种方法简单高效，但缺点就是需要每个字符都进行判断，浪费 CPU 资源，增加功耗。

\2. 接收中断+超时判断

串口接收到一个数据时，就会触发接收中断。但如何判断数据已经发送完了呢？

通常来讲，两帧数据之间，会有个时间间隔。因此，我们可以使用一个计时器，如果在一个固定的时间点里没接收到新的字符，则认为一帧数据接收完成了。

\3. 空闲中断

串口在空闲时，也就是说串口在一段时间里没有接收到新数据，则会触发空闲中断。细心的同学应该发现了，空闲中断实际上跟上面的超时判断是一样样的，只不过空闲中断是硬件自带，但超时判断需要我们自己实现。

所以，一旦接收到空闲中断，可以认为接收到一帧完整的数据。

但是，空闲中断并不是所有的 MCU 都具备，一般高端一点的 MCU 才有，低端一些的 MCU 并没有空闲中断。

1. 源码下载及前置阅读

源码及本文所需要的安装包/固件包已经为大家准备好了，大家可以添加良许微信免费获取（备注1206）：

如果你是个零基础的小白，连 STM32 都没见过，我也给你准备了一个保姆级教程，手把手教你搭建好 STM32 开发环境，并教你如何下载程序，简直业界良心！

https://www.lxlinux.net/e/stm32/stm32-quick-start-for-beginner.html

如果你连代码都不知道怎么烧录到 STM32 的，可以参考下文，提供了 5 种代码烧录方式：

https://www.lxlinux.net/e/stm32/five-ways-to-flash-program-to-stm32.html

如果你想自己搭一个属于自己的工程模板，可以参考下面这篇文章：

https://www.lxlinux.net/e/stm32/create-stm32-hal-project-template.html

在本文中，我们详细来介绍如何使用接收中断+超时判断完成不定长数据的接收，对于接收中断的接收，请查看下文：

https://www.lxlinux.net/e/stm32/stm32-usart-receive-data-using-rxne-time-out.html

2. 什么是空闲中断？

前文已经提到，当接收到一字节数据时，会触发接收中断，对应串口状态寄存器第 5 位被置 1 ；如果串口在空闲时，则会触发空闲中断，第 4 位被置 1 ，如下图所示：

在中断服务函数里，记得一定要清除 IDLE 位，否则将一直触发空闲中断，影响后续的业务处理。

3. DMA

3.1 什么是DMA？

令人头秃的描述：

“

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）提供在外设与内存、存储器和存储器、外设与外设之间的高速数据传输使用。它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于 CPU ，在这个时间中，CPU 对于内存的工作来说就无法使用。

”

简单描述：

就是一个数据搬运工！！

3.2 DMA的意义

代替 CPU 搬运数据，为 CPU 减负。

数据搬运的工作比较耗时间；
数据搬运工作时效要求高（有数据来就要搬走）；
没啥技术含量（CPU 节约出来的时间可以处理更重要的事）。

3.3 搬运什么数据？

存储器、外设

“

这里的外设指的是 spi、usart、iic、adc 等基于APB1 、APB2 或 AHB 时钟的外设，而这里的存储器包括自身的闪存（flash）或者内存（SRAM）以及外设的存储设备都可以作为访问地源或者目的。

”

三种搬运方式：

存储器→存储器（例如：复制某特别大的数据 buf ）
存储器→外设（例如：将某数据 buf 写入串口 TDR 寄存器）
外设→存储器（例如：将串口 RDR 寄存器写入某数据 buf ）

存储器→存储器

存储器→外设

外设→存储器

3.4 DMA 控制器

STM32F103 有 2 个 DMA 控制器，DMA1 有 7 个通道，DMA2 有 5 个通道。对于 STM32F103C8T6 这颗芯片，只有 DMA1 。

一个通道每次只能搬运一个外设的数据！！如果同时有多个外设的 DMA 请求，则按照优先级进行响应。

DMA1 有 7 个通道：

DMA2 有 5 个通道

3.5 DMA及通道的优先级

优先级管理采用软件+硬件：

软件：每个通道的优先级可以在 DMA_CCRx 寄存器中设置，有4个等级

最高级>高级>中级>低级
硬件：如果 2 个请求，它们的软件优先级相同，则较低编号的通道比较高编号的通道有较高的优先权。

比如：如果软件优先级相同，通道 2 优先于通道 4

3.6 DMA传输方式

DMA_Mode_Normal（正常模式）

一次 DMA 数据传输完后，停止 DMA 传送，也就是只传输一次
DMA_Mode_Circular（循环传输模式）

当传输结束时，硬件自动会将传输数据量寄存器进行重装，进行下一轮的数据传输。也就是多次传输模式

3.7 指针递增模式

外设和存储器指针在每次传输后可以自动向后递增或保持常量。当设置为增量模式时，下一个要传输的地址将是前一个地址加上增量值。

4. 硬件准备

STM32 核心板

本文使用 STM32F103C8T6 核心板，非常便宜，某宝上 10 元左右（关键词：STM32 核心板），一杯奶茶的钱不到。

核心板最大的优点是便宜简单，缺点就是需要根据需求自己搭一些电路，对你的动手能力要求比较高。

上面所推荐的这块核心板，主控芯片是 STM32103C8T6 ，64K flash，20K RAM，4 个定时器，3 个串口，网络上资料好几吨，非常适合初学者入门，强烈推荐。

USB 转 TTL

这种设备主要作用是用来调试或下载程序。价格也很便宜，普遍 5~8 元。

ST-Link

ST-Link 是一种用于 STM32 微控制器的调试和编程工具，它可以通过 SWD 或 JTAG 接口与开发板进行通信。一般也很便宜，七八元左右。

5. 编程实战

在本实验中，我们将串口 1 作为 log 输出端口，串口 2 作为本次实验的接收端口。

因此我们需要提前创建 uart2 模块，包含 uart2.c 及 uart2.h 两个文件，并加载进工程模板。

5.1 串口初始化

串口的初始化大家应该不陌生，主要步骤为：

定义串口句柄 uart2_handle ，并调用 HAL_UART_Init 进行初始化；
初始化串口底层函数，调用 HAL_UART_MspInit 函数。

第一步在 uart2.c 文件里进行：

UART_HandleTypeDef uart2_handle;

void uart2_init(uint32_t baudrate)
{
    uart2_handle.Instance          = UART2_INTERFACE;              /* UART2 */
    uart2_handle.Init.BaudRate     = baudrate;                     /* 波特率 */
    uart2_handle.Init.WordLength   = UART_WORDLENGTH_8B;           /* 数据位 */
    uart2_handle.Init.StopBits     = UART_STOPBITS_1;              /* 停止位 */
    uart2_handle.Init.Parity       = UART_PARITY_NONE;             /* 校验位 */
    uart2_handle.Init.Mode         = UART_MODE_TX_RX;              /* 收发模式 */
    uart2_handle.Init.HwFlowCtl    = UART_HWCONTROL_NONE;          /* 无硬件流控 */
    uart2_handle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;         /* 过采样 */
    HAL_UART_Init(&uart2_handle);                                  /* 使能UART2 */
}

第二步在 usart.c 文件里进行，其实也可以在 uart2.c 文件里做，但我懒~

在最下面两行代码，我们使用 __HAL_UART_ENABLE_IT() 使能接收中断及空闲中断。

void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;

    if (huart->Instance == USART_UX)                            /* 如果是串口1，进行串口1 MSP初始化 */
    {
        ....
        // 节略串口1相关代码
        ....
    }
    else if (huart->Instance == UART2_INTERFACE)                /* 如果是UART2 */
    {
        UART2_TX_GPIO_CLK_ENABLE();                             /* 使能UART2 TX引脚时钟 */
        UART2_RX_GPIO_CLK_ENABLE();                             /* 使能UART2 RX引脚时钟 */
        UART2_CLK_ENABLE();                                     /* 使能UART2时钟 */

        gpio_init_struct.Pin    = UART2_TX_GPIO_PIN;            /* UART2 TX引脚 */
        gpio_init_struct.Mode   = GPIO_MODE_AF_PP;              /* 复用推挽输出 */
        gpio_init_struct.Pull   = GPIO_NOPULL;                  /* 无上下拉 */
        gpio_init_struct.Speed  = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;         /* 高速 */
        HAL_GPIO_Init(UART2_TX_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);   /* 初始化UART2 TX引脚 */

        gpio_init_struct.Pin    = UART2_RX_GPIO_PIN;            /* UART2 RX引脚 */
        gpio_init_struct.Mode   = GPIO_MODE_INPUT;              /* 输入 */
        gpio_init_struct.Pull   = GPIO_NOPULL;                  /* 无上下拉 */
        gpio_init_struct.Speed  = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;         /* 高速 */
        HAL_GPIO_Init(UART2_RX_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);   /* 初始化UART2 RX引脚 */

        HAL_NVIC_SetPriority(UART2_IRQn, 0, 0);                 /* 抢占优先级0，子优先级0 */
        HAL_NVIC_EnableIRQ(UART2_IRQn);                         /* 使能UART2中断通道 */

        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_RXNE);              /* 使能UART2接收中断 */
        __HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_IDLE);              /* 使能UART2总线空闲中断 */
    }
}

5.2 串口中断服务函数

前文已经提到，串口触发到一次接收中断，则代表接收到一个字符，我们就可以把这个字符放到接收缓冲区里。这个过程与上一篇文章一样样，可以参考下文：

【STM32串口接收不定长数据（接收中断+超时判断）】

具体代码实现如下：

void UART2_IRQHandler(void)
{
    uint8_t receive_data = 0;   
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_RXNE) != RESET){    //获取接收RXNE标志位是否被置位
        if(uart2_rx_len >= sizeof(uart2_rx_buf))                        //如果接收的字符数大于接收缓冲区大小，
            uart2_rx_len = 0;                                           //则将接收计数器清零
        HAL_UART_Receive(&uart2_handle, &receive_data, 1, 1000);        //接收一个字符
        uart2_rx_buf[uart2_rx_len++] = receive_data;                    //将接收到的字符保存在接收缓冲区
    }

    ...
    // 省略空闲中断代码
    ...
}

串口触发一次空闲中断，则代表接收到一帧数据，也就是收到了一个完整的数据包了，我们就可以将收到的数据包进行处理（比如打印出来），代码如下：

void UART2_IRQHandler(void)
{
    ...
    // 省略接收中断代码
    ...

    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_IDLE) != RESET)    //获取接收空闲中断标志位是否被置位
    {
        printf("recv: %s\r\n", uart2_rx_buf);                           //将接收到的数据打印出来
        uart2_rx_clear();
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&uart2_handle);                       //清除UART总线空闲中断
    }
}

在上面的代码里，一定要记得调用 __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG() 函数清除 UART 总线空闲中断，否则空闲中断一直处于触发状态，影响下一次接收。

判断是否收到接收/空闲中断，需要用到的是 __HAL_UART_GET_FLAG() 函数，接收中断判断的是 UART_FLAG_RXNE 标志位，而空闲中断判断的是 UART_FLAG_IDLE 标志位。

串口中断服务函数完整代码如下（就是将上面两部分代码合二为一）：

void uart2_rx_clear(void)
{
    memset(uart2_rx_buf, 0, sizeof(uart2_rx_buf));          //清空接收缓冲区
    uart2_rx_len = 0;                                       //接收计数器清零
}

void UART2_IRQHandler(void)
{
    uint8_t receive_data = 0;   
    if(__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_RXNE) != RESET){    //获取接收RXNE标志位是否被置位
        if(uart2_rx_len >= sizeof(uart2_rx_buf))                        //如果接收的字符数大于接收缓冲区大小，
            uart2_rx_len = 0;                                           //则将接收计数器清零
        HAL_UART_Receive(&uart2_handle, &receive_data, 1, 1000);        //接收一个字符
        uart2_rx_buf[uart2_rx_len++] = receive_data;                    //将接收到的字符保存在接收缓冲区
    }

    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_IDLE) != RESET)    //获取接收空闲中断标志位是否被置位
    {
        printf("recv: %s\r\n", uart2_rx_buf);                           //将接收到的数据打印出来
        uart2_rx_clear();
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&uart2_handle);                       //清除UART总线空闲中断
    }
}

对应的 uart2.h 文件完整代码如下：

#include 
#include "usart.h"

/* 引脚定义 */
#define UART2_TX_GPIO_PORT           GPIOA
#define UART2_TX_GPIO_PIN            GPIO_PIN_2
#define UART2_TX_GPIO_CLK_ENABLE()   do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)

#define UART2_RX_GPIO_PORT           GPIOA
#define UART2_RX_GPIO_PIN            GPIO_PIN_3
#define UART2_RX_GPIO_CLK_ENABLE()   do{ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); }while(0)

#define UART2_INTERFACE              USART2
#define UART2_IRQn                   USART2_IRQn
#define UART2_IRQHandler             USART2_IRQHandler
#define UART2_CLK_ENABLE()           do{ __HAL_RCC_USART2_CLK_ENABLE(); }while(0)

/* 错误代码 */
#define UART_EOK                     0   /* 没有错误 */
#define UART_ERROR                   1   /* 通用错误 */
#define UART_ETIMEOUT                2   /* 超时错误 */
#define UART_EINVAL                  3   /* 参数错误 */

/* UART收发缓冲大小 */
#define UART2_RX_BUF_SIZE            128
#define UART2_TX_BUF_SIZE            64

void uart2_init(uint32_t baudrate);

到这里，实际上我们已经实现了使用空闲中断接收不定长数据的逻辑代码了，烧进板子后效果如下：

对于大多数应用场景下，这种串口接收不定长数据的处理方式已经足够用了。

但如果你串口每次接收的数据量过于庞大，那么就可以请出 DMA 这个数据搬运工了，一旦接收到数据则立马搬走，不占用 CPU 资源。

5.3 加入DMA

既然需要用到 DMA 外设，则在 BSP 目录下创建 dma.c 及 dma.h 两个文件，并加载进工程文件。

在 dma.c 文件里，我们要做的事情就是初始化 DMA 外设，实际上就是指定数据从哪里来、到哪里去，以及数据长度等等。

由于我们使用的是串口2 RX 通道，根据下图可知，用到的 DMA 通道为 DMA1_Channel6 （STM32F103C8T6只有 DMA1 ）。

在初始化的最后，一定要记得调用 HAL_UART_Receive_DMA() 函数开启 DMA 接收，否则 DMA 这个搬运工就算请过来了，他还是依然不为你工作。

详细代码如下：

void dma_init(void)
{
    // UART2 RX DMA配置
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();                                                /* DMA1时钟使能 */

    dma_handle.Instance = DMA1_Channel6;                                        /* USART2_RX使用的DMA通道为: DMA1_Channel6 */
    dma_handle.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;                           /* 外设到存储器模式 */
    dma_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;                               /* 外设非增量模式 */
    dma_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;                                   /* 存储器增量模式 */
    dma_handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;                  /* 外设数据长度:8位 */
    dma_handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;                     /* 存储器数据长度:8位 */
    dma_handle.Init.Mode = DMA_NORMAL;                                          /* 外设流控模式 */
    dma_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;                                /* 低优先级 */

    HAL_DMA_Init(&dma_handle);
    
    __HAL_LINKDMA(&uart2_handle, hdmarx, dma_handle);                           /* 将DMA与USART2联系起来(发送DMA) */
    HAL_UART_Receive_DMA(&uart2_handle, uart2_rx_buf, UART2_RX_BUF_SIZE);       /* 开启DMA接收 */
}

在串口中断服务函数里，我们可以将接收中断相关代码全部去掉（因为已经有了 DMA 这个搬运工了，没必要让 CPU 一个个字符转移数据了）。

我先把代码贴上来，再详细讲解。

void UART2_IRQHandler(void)
{
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&uart2_handle, UART_FLAG_IDLE) != RESET){           //获取接收IDLE标志位是否被置位
        __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&uart2_handle);
        HAL_UART_DMAStop(&uart2_handle);                                        //停止DMA传输，防止干扰
        uart2_rx_len = UART2_RX_BUF_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&dma_handle);  //获取接收到的数据长度
        printf("recv: %s, recv_len: %d\r\n", uart2_rx_buf, uart2_rx_len);
        uart2_rx_clear();
        HAL_UART_Receive_DMA(&uart2_handle, uart2_rx_buf, UART2_RX_BUF_SIZE);   //重新开启DMA传输
    }
}

上面的代码有几个要点需要解释一下：

停止 DMA 传输

当我们收到空闲中断时，实际上 DMA 已经帮我们把所有的数据搬运到了接收缓冲区了，此时我们可以先把 DMA 传输关闭掉，防止干扰到后续的操作。

获取接收到的数据长度

__HAL_DMA_GET_COUNTER() 函数表示 DMA 中待接收的数据长度。什么意思呢？假设我需要 DMA 接收 100 个字符的数据量，但现在实际上只接收到了 30 个字符，那么待接收的数据长度为 70 ，也就是 __HAL_DMA_GET_COUNTER() 函数的返回值为 70 。

所以，我们已经接收到的数据长度，等于接收缓冲区的长度，减去待接收的数据长度，翻译成代码就是：

uart2_rx_len = UART2_RX_BUF_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(&dma_handle);

重新开启 DMA 传输

一帧数据处理完成之后，我们肯定要进行下一帧数据的接收，所以需要调用 HAL_UART_Receive_DMA() 重新开启 DMA 传输，否则数据只接收一帧之后就罢工了。

到此 DMA 就加入成功了，烧进去板子后效果如下：

6. 小结

STM32 串口通讯在项目中使用的频率非常高，但由于不知道数据发送方会发送多少数据量，所以串口接收不定长数据成了一个急需解决的问题。

本文使用串口的空闲中断+DMA方法解决了此问题，并给出了详细的教程，希望对读者朋友有所帮助。

以上就是良许教程网为各位朋友分享的Linu系统相关内容。想要了解更多Linux相关知识记得关注公众号“良许Linux”，或扫描下方二维码进行关注，更多干货等着你！

高手如何玩串口？

1. 源码下载及前置阅读

2. 什么是空闲中断？

3. DMA

3.1 什么是DMA？

3.2 DMA的意义

3.3 搬运什么数据？

3.4 DMA 控制器

3.5 DMA及通道的优先级

3.6 DMA传输方式

3.7 指针递增模式

4. 硬件准备

5. 编程实战

5.1 串口初始化

5.2 串口中断服务函数

5.3 加入DMA

6. 小结

作者: 良许

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2. 什么是空闲中断？

3. DMA

3.1 什么是DMA？

3.2 DMA的意义

3.3 搬运什么数据？

3.4 DMA 控制器

3.5 DMA及通道的优先级

3.6 DMA传输方式

3.7 指针递增模式

4. 硬件准备

5. 编程实战

5.1 串口初始化

5.2 串口中断服务函数

5.3 加入DMA

6. 小结

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