DMA与空闲中断下的串口非阻塞收发技术详解：HAL库学习心得

DMA + 空闲中断的串口不定长非阻塞收发（HAL库学习笔记）

代码的相应解释

代码功能

本次代码为 DMA+空闲中断来实现串口的不定长收发（非阻塞方式）
适合需要快速响应和低CPU占用的嵌入式场景

相关术语的解释

阻塞与非阻塞方式的区别

阻塞：函数调用后，程序会一直等待直到数据传输完成才继续执行
不断检查串口状态寄存器直到操作完成，通常允许设置超时时间，防止无限等待。CPU长时间处于等待状态，浪费计算资源对于简单的项目可能干扰不大，对于多线程的任务，采用阻塞的方式往往程序会卡死。
代码示例：

 `HAL_UART_Transmit(&huart1, data, sizeof(data), 100);
  HAL_UART_Receive(&huart1, buffer, sizeof(buffer), 100);`

非阻塞式：函数调用后立即返回，数据传输在后台进行，允许CPU在传输期间处理其他任务，适合大数据量或高频率通信，不占用大量的CPU资源，相比阻塞方式代码更为复杂需要用到中断或者是DMA
代码示例：

HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, data, sizeof(data));//DMA方式

HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, rx_buffer, sizeof(rx_buffer));
//中断方式
// 发送完成回调函数
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart == &huart1) {
        // 处理发送完成逻辑
    }
}

接收完成中断回调函数

下面这个函数为串口的接收完成中断回调函数，也是我们本次功能实现的核心代码
这个回调函数会有两种情况被触发：
1.总线空闲中断（Idle Interrupt）：当UART总线在一段时间内无新数据（即总线空闲）时触发。
2.DMA接收完成（DMA Transfer Complete）：当DMA接收缓冲区填满（达到设定的最大长度）时触发。
也就是当Size这个参数等于缓冲区的大小，文章后面会给出实例代码

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size{
}

STM32CubeMX 配置

选择外部高速时钟HSE

选择Dubug方式

选择Asynchronous(异步通信)其他参数如波特率 校验位 停止位 默认初始就好

同步通信：发送方在发送数据时，接收方必须处于接收状态，数据传输是实时进行的。数据传输准确但占用资源 例如（SPI I2C）
异步通信：发送方可以在任何时间发送数据，而接收方可以在任意时间接收数据，双方的操作相互独立。时间独立适应性强，协议设计相对复杂(例如串口)
异步通信不需要共享时钟信号 不需要clk信号线，串口仅需要两根线（Tx Rx）

在串口页面点击DMA Setting配置DMA通道点击Add添加两个通道，并且为两个通道更改对应的串口名字
DMA可以理解为不占用CPU资源 找个黑奴给你搬砖
数据搬运方向（Direction）
TX: 内存（Memory)–>外设（Peripheral)
RX: 外设（Peripheral)–>内存（Memory)

点击NVIC 配置中断我这里优先级选择为1

然后配置对应时钟 我使用的开发板为G474所以我频率配置的高一些，如果你使用的F1C8T6可以直接配置为主频72M

这里一定要勾选为HSI 内部高速晶振 否则你的串口会输出乱码
因为有些单片机没有外部高速晶振HSE

代码编写

添加这四个头文件因为我们要仿造printf编写一个非阻塞的打印函数

生成代码之后打开我们进入串口的主函数
在串口的主函数中已经帮我们配好了DMA通道的参数还有串口的初始化
我们下拉到最下面找到这个写函数的地方（我图中圈的位置）
添加相应的变量

uint8_t rxBuffer[50];              //接受缓冲区
volatile uint8_t isUART3Busy = 0;  // 发送状态标志
uint8_t txBuffer[512];             // 发送缓冲区

编写打印函数 u1_printf_nonblocking

// 非阻塞发送函数
// 相关参数解释"char *fmt"格式化字符串通过占位符如(%d)指定"..."(可变参数列表)的参数类型
void u1_printf_nonblocking(char *fmt, ...) {
   
  	va_list ap;
    va_start(ap, fmt);
    int len = vsnprintf((char *)txBuffer, sizeof(txBuffer), fmt, ap);
    va_end(ap); //可变参数的处理将格式化的字符串写入txBuffer

    if (len > 0) {
        // 检查DMA是否在忙
        if (isUART3Busy) {
            
            return;  // 忙则直接返回
        }

        isUART3Busy = 1;  // 标记为忙 避免其他代码触发发送时冲突
        HAL_UART_Transmit_DMA(&huart3, txBuffer, len);//以DMA方式发送txBuffer中的数据
    }
}

编写接受完成中断回调函数

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size) {//接收完成中断回调
    if (huart == &huart3) {
        // Size 参数由 HAL_UARTEx_RxEventCallback 自动传入，表示实际接收到的数据字节数 实现接什么发什么
			  // %.*s 动态绑定长度和缓冲区地址
        u1_printf_nonblocking("Received: %.*s\r\n", Size, rxBuffer);
        
        // 重新启动接收
        HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart3, rxBuffer, sizeof(rxBuffer));
        __HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart3_rx, DMA_IT_HT);
    }
}

编写发送完成中断回调函数

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) { //DMA发送完成后会调用这个函数
    if (huart == &huart3) {
        isUART3Busy = 0;  // 标记为空闲
    }
}

在主函数中开启DMA接收 关闭DMA半完成中断 并且声明相关变量

extern uint8_t rxBuffer[50];
extern DMA_HandleTypeDef hdma_usart3_rx;//在主函数声明相关参数
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart3,rxBuffer,sizeof(rxBuffer));
  //第三个参数填最大能接收的长度 接受不定长 启动串口3的DMA接收
  __HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart3_rx,DMA_IT_HT);
	//禁用DMA的半传输中断 该中断通常用于双缓冲机制 前半段传输完成后 可以在处理前半段的数据时DMA继续接收后半中断
	//我们启动不定长接收 数据结束的标志是总线空闲(idle)，而非固定长度，所以禁用此中断
  u1_printf_nonblocking("Hello World!\r\n%d,%x,%o,%f\r\n", 100, 100, 100, 45.78);//测试代码上电复位发送一次	
  /* USER CODE END 2 */
 
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
		

  }
  /* USER CODE END 3 */
}

这些函数放入主函数中初始化函数的下面就可以
也别忘了要在usart.h中声明一下u1_printf_nonblocking这个函数不然在主函数中是用不了

点击小剪刀勾选Use McroLIB识别字符串

代码逻辑

在主函数中初始化HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart3, rxBuffer, sizeof(rxBuffer))
启动UART3的DMA接收，配置为接收数据直到检测到总线空闲（Idle）或缓冲区满（50字节）
禁用DMA的半传输中断（DMA_IT_HT），仅关注空闲事件
接受数据流程：
当UART3接收到数据：DMA将数据存入 rxBuffer，直到触发以下条件之一：
接收满50字节（缓冲区满）
检测到总线空闲（Idle）
接收完成后，HAL库自动调用 HAL_UARTEx_RxEventCallback，并传入实际接收的字节数 Size
在回调函数中：
通过u1_printf_nonblocking(“Received: %.*s\r\n”, Size, rxBuffer) 将接收到的数据回显(接什么发什么)
重新调用 HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA 启动下一次接收，禁用半传输中断，避免处理不完整数据（跟主函数初始化一样）
发送数据流程：
调用 u1_printf_nonblocking 发送数据：
使用 vsnprintf 将格式化字符串写入 txBuffer。
检查 isUART3Busy 标志：
若为0（空闲）：启动DMA发送（HAL_UART_Transmit_DMA），并置 isUART3Busy = 1。
若为1（忙碌）：直接返回，放弃本次发送（防止数据覆盖）。
DMA发送完成后：
HAL库自动调用 HAL_UART_TxCpltCallback。
在回调中置 isUART3Busy = 0，标记发送通道空闲

测试结果

正确打印出相关参数 并且在发送你好之后数据会回显

4月5日改动：
isUART3Busy标志用于标记UART发送状态。当连续调用u1_printf_nonblocking时，若前一次发送未完成（isUART3Busy=1），后续调用直接返回，数据被丢弃。
例如，两次快速调用打印函数时，第二个调用因标志位未复位而被跳过，所以为了解决数据丢失的问题我们会引入环形缓冲区

添加缓冲区后的完整代码：

// --- 配置 ---
#define TX_QUEUE_SIZE  4
#define TX_BUFFER_SIZE 512

typedef struct {
    uint8_t buffer[TX_BUFFER_SIZE];
    uint16_t len;
} TxItem;

// --- 全局变量 ---
volatile TxItem txQueue[TX_QUEUE_SIZE];
volatile uint8_t txHead = 0;
volatile uint8_t txTail = 0;
volatile uint8_t isUART3Busy = 0;
uint8_t rxBuffer[50];

// --- 临界区保护宏（根据MCU实现，如STM32使用__disable_irq/__enable_irq）---
#define ENTER_CRITICAL() __disable_irq()
#define EXIT_CRITICAL()  __enable_irq()

// --- 非阻塞发送函数（带队列和临界区保护）---
void u1_printf_nonblocking(const char *fmt, ...) {
    va_list ap;
    va_start(ap, fmt);

    // 格式化数据到当前队列头
    uint16_t current_head;
    int len;
    ENTER_CRITICAL();
    current_head = txHead;
    EXIT_CRITICAL();// // --- 临界区保护开始：禁止中断

    len = vsnprintf((char *)txQueue[current_head].buffer, TX_BUFFER_SIZE, fmt, ap);
    va_end(ap);

    if (len <= 0 || len >= TX_BUFFER_SIZE) return;

    ENTER_CRITICAL();
    uint8_t next_head = (current_head + 1) % TX_QUEUE_SIZE;
    if (next_head != txTail) {  // 队列未满
        txQueue[current_head].len = len;
        txHead = next_head;

        // 若UART空闲，立即启动发送
        if (!isUART3Busy) {
            isUART3Busy = 1;
            TxItem *item = &txQueue[txTail];
            txTail = (txTail + 1) % TX_QUEUE_SIZE;
            HAL_UART_Transmit_DMA(&huart3, item->buffer, item->len);
        }
    } else {
        // 队列满，可在此添加错误处理
    }
    EXIT_CRITICAL();
   // --- 临界区保护结束：恢复中断 ---
}

// --- DMA发送完成回调 ---
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart == &huart3) {
        ENTER_CRITICAL();
        isUART3Busy = 0;

        // 检查队列中是否还有数据待发送
        if (txTail != txHead) {
            isUART3Busy = 1;
            TxItem *item = &txQueue[txTail];
            txTail = (txTail + 1) % TX_QUEUE_SIZE;
            HAL_UART_Transmit_DMA(&huart3, item->buffer, item->len);
        }
        EXIT_CRITICAL();
    }
}

// --- 接收完成回调---
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size) {
    if (huart == &huart3) {
        u1_printf_nonblocking("Received: %.*s\r\n", Size, rxBuffer);
        HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart3, rxBuffer, sizeof(rxBuffer));
        __HAL_DMA_DISABLE_IT(&hdma_usart3_rx, DMA_IT_HT);
    }
}

本文章为本人学习阶段所写 更多想法是为了作为学习笔记 有不对的地方请大佬们多多批评指正
CUBEMX最新版本6.14配置可能会有BUG 建议使用6.12及以下

作者：还在点灯@