19. GD32E230串口通信实战：中断接收与DMA接收模式详解与代码实现

GD32E230串口通信实战中断接收与DMA接收模式详解与代码实现最近在做一个基于GD32E230的项目需要频繁通过串口接收上位机发来的数据包。一开始我用的是传统的中断接收方式数据量小的时候还行后来数据量一大频繁进中断导致CPU效率下降还偶尔丢数据。后来改用了DMA接收CPU一下子解放了数据接收也稳定多了。今天咱们就来详细聊聊GD32E230的这两种串口接收方式——中断接收和DMA接收。我会手把手带你配置代码分析两者的区别并分享一个实用的“条件编译”技巧让你在项目中能轻松切换这两种模式。无论你是刚接触GD32的新手还是想优化现有项目的朋友这篇文章都能帮到你。1. 串口中断接收传统但可靠的方案串口中断接收是嵌入式开发中最常用的数据接收方式。它的原理很简单每当串口接收到一个字节的数据就会产生一个中断CPU跳转到中断服务函数里把这个字节读出来存到缓冲区里。1.1 中断接收的配置流程要让串口用中断方式接收数据需要完成以下几个步骤。这里假设你已经完成了串口的基本配置波特率、数据位、停止位等我们重点看中断相关的部分。第一步使能串口接收功能在串口初始化时除了基本的参数配置必须显式地使能接收功能。很多朋友忘了这一步结果只能发送不能接收。usart_receive_config(BSP_USART, USART_RECEIVE_ENABLE); // 使能串口接收第二步配置串口接收中断串口有很多种中断但接收数据主要用两个USART_INT_RBNE接收缓冲区非空中断每收到一个字节就触发一次USART_INT_IDLE空闲中断一帧数据发送完成后触发用来判断数据接收完成注意空闲中断不是指串口线路上没信号而是指在超过一个字节的传输时间比如10个位的时间内没有新的数据到来。这通常意味着上位机发送完了一包数据。配置中断的代码如下// 使能接收缓冲区非空中断和空闲中断 usart_interrupt_enable(BSP_USART, USART_INT_RBNE); usart_interrupt_enable(BSP_USART, USART_INT_IDLE); // 配置中断优先级优先级组2子优先级2 nvic_irq_enable(BSP_USART_IRQ, 2, 2);这里BSP_USART_IRQ是串口的中断号对于USART0来说就是USART0_IRQn。第三步定义接收缓冲区及相关变量我们需要一个数组来存放接收到的数据还需要一些变量来记录状态#define USART_RECEIVE_LENGTH 4096 // 接收缓冲区大小根据实际需求调整 uint8_t g_recv_buff[USART_RECEIVE_LENGTH]; // 接收缓冲区 uint16_t g_recv_length 0; // 已接收数据长度 uint8_t g_recv_complete_flag 0; // 接收完成标志1.2 编写中断服务函数中断服务函数是中断接收的核心它负责在中断发生时读取数据。这里有个关键点不同的中断标志要用不同的方式清除。void USART0_IRQHandler(void) { // 1. 处理接收缓冲区非空中断收到一个字节 if(usart_interrupt_flag_get(BSP_USART, USART_INT_FLAG_RBNE) ! RESET) { // 读取数据并存入缓冲区 g_recv_buff[g_recv_length] usart_data_receive(BSP_USART); // 注意usart_data_receive()函数会自动清除RBNE标志位 // 所以我们不需要手动清除 } // 2. 处理空闲中断一帧数据接收完成 if(usart_interrupt_flag_get(BSP_USART, USART_INT_FLAG_IDLE) SET) { // 重要必须读一次数据寄存器来清除IDLE标志 // 读出来的数据没用直接丢弃 usart_data_receive(BSP_USART); // 在缓冲区末尾添加字符串结束符方便用printf打印 g_recv_buff[g_recv_length] \0; // 设置接收完成标志 g_recv_complete_flag SET; } }提示空闲中断的处理有个坑——必须调用usart_data_receive()读一次数据寄存器才能清除IDLE标志。如果不读IDLE标志会一直存在导致不断进入中断。1.3 在主循环中处理接收到的数据中断服务函数只是把数据存起来并设置标志实际的数据处理要在主循环中进行while(1) { /* 等待数据传输完成 */ if(g_recv_complete_flag) // 数据接收完成 { g_recv_complete_flag RESET; // 清除标志等待下次接收 // 打印接收到的数据长度和内容 printf(接收数据长度: %d\r\n, g_recv_length); printf(接收内容: %s\r\n, g_recv_buff); // 清空缓冲区准备下次接收 memset(g_recv_buff, 0, g_recv_length); g_recv_length 0; } // 其他任务... }中断接收的优点是很直观每收到一个字节CPU都知道。但缺点也很明显数据量大时频繁进中断CPU大部分时间都在处理中断影响其他任务的执行。这时候就该DMA出场了。2. 串口DMA接收解放CPU的高效方案DMA直接存储器访问就像一个数据搬运工它能在不占用CPU的情况下在外设和内存之间搬运数据。对于串口接收来说DMA可以自动把串口接收到的数据搬到我们指定的数组里等一包数据收完了再通知CPU。2.1 DMA接收的配置流程DMA的配置比中断稍微复杂一些但理解了各个参数的含义后也不难。第一步开启DMA时钟老规矩用外设先开时钟。GD32E230的USART0_RX对应DMA的通道2和通道4我们选择通道2。#define BSP_DMA_RCU RCU_DMA // DMA时钟 #define BSP_DMA DMA // DMA外设 #define BSP_DMA_CH DMA_CH2 // DMA通道2 // 开启DMA时钟 rcu_periph_clock_enable(BSP_DMA_RCU);第二步配置DMA参数结构体这是DMA配置的核心部分每个参数都要理解清楚dma_parameter_struct dma_init_struct; // 先复位并初始化结构体 dma_deinit(BSP_DMA_CH); dma_struct_para_init(dma_init_struct); // 配置各个参数 dma_init_struct.direction DMA_PERIPHERAL_TO_MEMORY; // 传输方向外设到内存 dma_init_struct.memory_addr (uint32_t)g_recv_buff; // 内存地址我们的缓冲区 dma_init_struct.memory_inc DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE; // 内存地址递增存到不同位置 dma_init_struct.memory_width DMA_MEMORY_WIDTH_8BIT; // 内存数据宽度8位 dma_init_struct.number ARRAYNUM(g_recv_buff); // 传输数据量缓冲区大小 dma_init_struct.periph_addr (uint32_t)USART_RDATA(BSP_USART); // 外设地址串口数据寄存器 dma_init_struct.periph_inc DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE; // 外设地址固定总是读同一个寄存器 dma_init_struct.periph_width DMA_PERIPHERAL_WIDTH_8BIT; // 外设数据宽度8位 dma_init_struct.priority DMA_PRIORITY_ULTRA_HIGH; // 优先级超高 // 初始化DMA dma_init(BSP_DMA_CH, dma_init_struct);这里解释几个关键参数direction串口接收是数据从串口外设到内存所以选DMA_PERIPHERAL_TO_MEMORYperiph_inc串口数据寄存器地址是固定的每次都是从这个寄存器读数据所以选DISABLEmemory_inc数据要依次存到数组的不同位置所以选ENABLEnumber这是DMA传输的计数器每传输一个字节就减1减到0时触发传输完成中断提示ARRAYNUM是一个计算数组元素个数的宏定义如下#define ARRAYNUM(arr_name) (uint32_t)(sizeof(arr_name) / sizeof(*(arr_name)))第三步使能DMA通道配置好参数后需要使能DMA通道dma_channel_enable(BSP_DMA_CH);第四步配置DMA中断我们希望在一包数据接收完成后得到通知所以要配置传输完成中断// 配置DMA中断优先级 nvic_irq_enable(DMA_Channel1_2_IRQn, 1, 0); // 使能DMA传输完成中断 dma_interrupt_enable(BSP_DMA_CH, DMA_INT_FLAG_FTF);第五步使能串口的DMA接收功能这是关键一步DMA和串口是独立的两个外设需要告诉串口你要用DMA来接收数据。// 使能串口的DMA接收请求 usart_dma_receive_config(BSP_USART, USART_DENR_ENABLE);2.2 DMA中断服务函数当DMA传输完成即传输了number指定的数据量时会进入中断void DMA_Channel1_2_IRQHandler(void) { // 检查是否是传输完成中断 if(dma_interrupt_flag_get(BSP_DMA_CH, DMA_INT_FLAG_FTF)) { // 清除中断标志 dma_interrupt_flag_clear(BSP_DMA_CH, DMA_INT_FLAG_FTF); // 这里可以设置一个标志在主循环中处理 // g_transfer_complete SET; } }但实际项目中我们通常不只用DMA的传输完成中断而是结合串口的空闲中断来判断一包数据是否接收完成。因为上位机发送的数据可能不满整个缓冲区。2.3 结合空闲中断处理DMA接收这是DMA接收的经典用法DMA负责搬运数据空闲中断负责判断一包数据何时结束。// 在串口中断服务函数中处理空闲中断 if(usart_interrupt_flag_get(BSP_USART, USART_INT_FLAG_IDLE) SET) { // 必须读一次数据寄存器来清除IDLE标志 usart_data_receive(BSP_USART); // 计算实际接收到的数据长度 // 总缓冲区大小 - DMA剩余未传输的数量 已传输的数量 g_recv_length ARRAYNUM(g_recv_buff) - dma_transfer_number_get(BSP_DMA, BSP_DMA_CH); // 添加字符串结束符 g_recv_buff[g_recv_length] \0; // 设置接收完成标志 g_recv_complete_flag SET; // 重要重新配置DMA准备接收下一包数据 dma_channel_disable(BSP_DMA_CH); // 先禁用DMA通道 dma_config(); // 重新配置DMA调用之前的配置函数 dma_channel_enable(BSP_DMA_CH); // 重新使能 }这里的关键是dma_transfer_number_get()函数它能获取DMA还剩余多少数据没传输。用缓冲区总大小减去这个值就是实际接收到的数据长度。3. 实战技巧用条件编译切换两种模式在实际项目中我们可能需要在中断接收和DMA接收之间切换调试。每次都改代码太麻烦我教你用条件编译来实现一键切换。3.1 定义模式选择宏在头文件比如bsp_usart.h中定义一个宏/* 接收模式选择: 0-中断接收 1-DMA接收 */ #define USART_RECEIVE_MODE 13.2 在代码中使用条件编译然后在各个关键位置用#if来区分两种模式的代码在串口初始化函数中void usart_init(void) { // ... 基本的串口配置代码 ... // 使能串口接收 usart_receive_config(BSP_USART, USART_RECEIVE_ENABLE); #if (USART_RECEIVE_MODE 0) // 中断接收模式 usart_interrupt_enable(BSP_USART, USART_INT_RBNE); usart_interrupt_enable(BSP_USART, USART_INT_IDLE); nvic_irq_enable(BSP_USART_IRQ, 2, 2); #else // DMA接收模式 dma_config(); // DMA配置函数 usart_dma_receive_config(BSP_USART, USART_DENR_ENABLE); #endif }在中断服务函数中void USART0_IRQHandler(void) { #if (USART_RECEIVE_MODE 0) // 中断接收的处理代码 if(usart_interrupt_flag_get(BSP_USART, USART_INT_FLAG_RBNE) ! RESET) { g_recv_buff[g_recv_length] usart_data_receive(BSP_USART); } #endif // 空闲中断两种模式都要处理 if(usart_interrupt_flag_get(BSP_USART, USART_INT_FLAG_IDLE) SET) { usart_data_receive(BSP_USART); // 清除标志 #if (USART_RECEIVE_MODE 0) // 中断模式直接设置完成标志 g_recv_buff[g_recv_length] \0; g_recv_complete_flag SET; #else // DMA模式计算实际接收长度 g_recv_length ARRAYNUM(g_recv_buff) - dma_transfer_number_get(BSP_DMA, BSP_DMA_CH); g_recv_buff[g_recv_length] \0; g_recv_complete_flag SET; // 重新配置DMA dma_channel_disable(BSP_DMA_CH); dma_config(); dma_channel_enable(BSP_DMA_CH); #endif } }这样你只需要修改USART_RECEIVE_MODE宏的值然后重新编译就能在两种模式之间切换了。4. 两种模式的对比与选择建议最后咱们来总结一下两种模式的特点帮你做出选择中断接收模式的优缺点优点实现简单每收到一个字节都能立即处理适合数据量小、实时性要求高的场景缺点频繁中断消耗CPU资源高速率、大数据量时可能丢数据DMA接收模式的优缺点优点不占用CPU适合大数据量传输能实现零拷贝接收缺点配置稍复杂需要结合空闲中断判断帧结束我的选择建议如果只是偶尔接收几个字节的指令或状态用中断接收就够了如果要接收大量数据比如文件、图像或者波特率很高比如115200以上一定要用DMA在资源紧张的低端MCU上如果DMA通道不够用可能只能用中断实际项目中我大部分时间都用DMA接收因为确实省心有个细节要注意使用DMA接收时如果一包数据超过了DMA配置的传输数量number参数超出的部分就丢失了。所以要根据实际的数据包大小来设置缓冲区大小。好了关于GD32E230的串口接收就聊到这里。两种方式我都提供了完整的代码你可以直接复制使用。在实际项目中我建议你先用中断接收调试通然后再切换到DMA接收这样出了问题也好排查。