使用中断模式与DMA模式进行串口通信
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ARM内核单片机学习

2033 字
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11 分钟

在 STM32 开发中，串口（UART）通信主要有 轮询模式、 中断模式 和 DMA（直接存储器访问）模式 三种方式。其中 中断模式 和 DMA 模式 适用于高效、非阻塞的串口通信。

1. 中断模式（Interrupt Mode）

中断模式（UART Interrupt Mode） 依赖 UART 接收/发送完成 时触发 中断 来处理数据，适用于 低速串口通信或短数据包传输。

中断模式的工作原理

  • 发送：调用 HAL_UART_Transmit_IT()，数据传输完成时触发 HAL_UART_TxCpltCallback() 回调函数。
  • 接收：调用 HAL_UART_Receive_IT()，数据接收完成时触发 HAL_UART_RxCpltCallback() 回调函数。
  • CPU 只在数据传输完成时才执行回调函数，减少 CPU 资源占用。

示例代码

① 开启 UART 中断接收

uint8_t rxData[10];  // 接收缓冲区

// 初始化 UART 接收中断（一次接收 1 字节）
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rxData, 1);

② 处理 UART 接收中断

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)  // 判断是哪个串口
    {
        HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, rxData, 1);  // 回显接收的数据
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rxData, 1);   // 继续接收
    }
}
使用中断接收的方式不需要在循环中重复使用中断接收函数，只需在循环前执行一次，再在接收中断回调函数中继续执行接收即可。

③ 处理 UART 发送中断

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        // 发送完成后可以执行其他操作
    }
}

中断模式的优点

✅ 非阻塞：CPU 只在需要时处理数据，空闲时可以执行其他任务。
✅ 适用于短数据包通信（比如命令解析、按键输入等）。
✅ 比轮询模式更节省 CPU 资源。

中断模式的缺点

❌ 需要占用 CPU 处理中断，当数据流量较大时，中断频繁触发会影响系统性能。
❌ 不能高效处理大数据量传输，会影响 CPU 响应时间。

2. DMA 模式（Direct Memory Access Mode）

DMA（直接存储器访问）模式 让 UART 直接通过 DMA 控制器读写内存，无需 CPU 介入，适用于 大数据量、高速串口通信（如日志输出、数据采集等）。

DMA 模式的工作原理

  • 发送数据：调用 HAL_UART_Transmit_DMA()，DMA 直接从内存读取数据发送到 UART，不占用 CPU。
  • 接收数据：调用 HAL_UART_Receive_DMA()，DMA 直接将 UART 接收到的数据存入内存，完成后触发 HAL_UART_RxCpltCallback() 回调。

示例代码

① 配置 UART 使用 DMA

uint8_t rxBuffer[100];  // DMA 接收缓冲区

// 开启 DMA 接收（一次性接收 100 字节数据）
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rxBuffer, sizeof(rxBuffer));

② 处理 DMA 传输完成回调

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        // 数据接收完成，可以处理 rxBuffer 里的数据
        HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, rxBuffer, sizeof(rxBuffer));  // 发送接收到的数据
    }
}

DMA 模式的优点

✅ 完全非阻塞：DMA 负责数据搬运，CPU 只在数据完成时处理，不受干扰。
✅ 适用于大数据量、高速通信（如 GPS、WiFi、摄像头数据传输）。
✅ CPU 负载低，系统可以执行其他任务（如 RTOS 多任务）。

DMA 模式的缺点

❌ 需要额外配置 DMA 控制器，比中断模式复杂。
❌ 适合连续大数据传输，不适用于短数据命令交互（比如 AT 命令）。
❌ 可能需要管理环形缓冲区（Ring Buffer），避免数据丢失。

3. 中断模式 vs. DMA 模式对比

在 STM32 串口通信中，DMA 模式 和 中断模式 都依赖 中断机制，但它们的 中断触发方式、频率、CPU 负载 有显著区别。以下是两者的详细对比：

3.1. 中断模式的中断触发

触发条件：

  • 发送完成中断（Tx Complete Interrupt）：每次发送完 1 次完整的数据 后触发。
  • 接收完成中断（Rx Complete Interrupt）：每次接收到 指定数量的数据 后触发。

中断触发频率：

  • 发送数据：每次调用 HAL_UART_Transmit_IT() 都会触发 1 次发送完成中断。
  • 接收数据：每次调用 HAL_UART_Receive_IT() 都会触发 1 次接收完成中断。
  • 如果接收数据是逐字节的，那么每收到 1 个字节 就会触发一次中断，导致中断频率高，影响 CPU 性能。

示例：

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)  
    {
        HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, rxData, 1);  // 发送回显数据
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rxData, 1);   // 继续接收
    }
}

问题：如果接收的数据流量大，每个字节都触发一次 HAL_UART_RxCpltCallback()，会导致 CPU 频繁处理中断，降低系统响应能力。

3.2. DMA 模式的中断触发

触发条件：

  • 发送完成中断（Tx DMA Complete Interrupt）：整个 DMA 传输 全部数据 结束后触发。
  • 接收完成中断（Rx DMA Complete Interrupt）：整个 DMA 缓存区接收满 或 指定的字节数到达 时触发。

中断触发频率：

  • 由于 DMA 直接传输整个数据块，相比中断模式 减少了大量的中断触发。
  • 例如，使用 DMA 方式接收 100 字节数据，仅在100 字节全部接收完成时触发一次中断。
  • 相比中断模式，DMA 方式极大地降低了中断频率，提高了系统效率。

示例：

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)  
    {
        // 一次性接收100字节数据
        HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, rxBuffer, 100);  
        HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rxBuffer, 100);   // 继续接收
    }
}

优势：DMA 只在整个数据块传输完成时触发 1 次中断，而不是逐字节触发，提高了 CPU 的可用性。

3.3. 触发中断次数对比

方式触发中断条件触发次数（假设 100 字节）适用场景
中断模式每接收 1 个字节触发100 次中断低速数据、小数据包
DMA 模式整个缓冲区满了 触发1 次中断高速数据、大数据流

3.4. 中断模式 vs. DMA 模式：中断影响

方式中断触发频率CPU 负载适用于
中断模式高（逐字节触发）高（CPU 处理开销大）短数据、低速通信（如 AT 指令）
DMA 模式低（整块数据传输完成后才触发）低（CPU 只需处理一次中断）高速数据、大数据量（如 GPS、日志记录）

3.5. 总结

✅ 如果数据量小（例如 AT 指令交互），使用 中断模式，因为它简单易用。
✅ 如果数据量大（如 WiFi 模块、传感器数据采集），必须用 DMA 模式，减少 CPU 负载，提高效率。
✅ DMA 模式大幅减少了中断次数，适用于 高速数据传输，尤其是 RTOS 或多任务系统。

如果你的项目涉及 高频率串口通信，比如传感器数据流、日志记录等，DMA 绝对是最优选择！ 🚀

4. 什么时候用哪种模式？

✅ 如果数据量较小（命令解析、调试信息）→ 选用中断模式。
✅ 如果数据量较大（日志存储、传感器数据）→ 选用 DMA 模式。
✅ 如果数据量很小，但 CPU 负载高 → 也可以考虑 DMA。

例如：

  • 调试信息（printf 串口输出）：中断模式
  • GPS 数据流：DMA 模式
  • 按键输入解析：中断模式
  • WiFi 模块（AT 指令）：中断模式（少量指令），DMA（大量数据）

5. 总结

  • 中断模式（Interrupt Mode） 适用于 短数据包、低速通信，如 按键输入、AT 指令解析。
  • DMA 模式（Direct Memory Access Mode） 适用于 大数据流、高速通信，如 GPS 传输、日志存储。
  • DMA 优先级高于中断，在高负载系统中推荐使用 DMA，避免 CPU 过载。

如果你的 STM32 需要处理大数据的串口通信，建议 使用 DMA 模式，否则中断模式即可满足需求！ 🚀

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