【GD32F303红枫派开发板使用手册】第十六讲 USART-DMA串口收发实验

聚沃科技 2024-06-15 1100

描述

16.1 实验内容

通过本实验主要学习以下内容：

串口DMA工作原理
使用DMA进行串口收发

16.2 实验原理

16.2.1 串口DMA工作原理

在前面ADC章节中，我们介绍了DMA的工作原理，这里就不多做介绍。从GD32F303用户手册中可以查到，各串口的TX和RX分别对应DMA的不同通道，比如USART0的TX对应DMA0的通道3，而RX对应DMA0的通道4。

当需要使用DMA发送时，需要配置DMA工作为内存到外设的模式，DMA目标地址需要设置为串口的数据寄存器，当DMA使能后，一旦串口的TBE（发送空）标志位为1，则DMA自动从内存中搬运数据到串口数据寄存器中。

当需要使用DMA接受时，需要配置DMA工作为外设到内存的模式，DMA的源地址需要设置为串口的数据寄存器，当DMA使能，一旦串口收到一个字节数据，RBNE（接受非空）标志位为1，则DMA自动将数据寄存器中的数据搬运到内存中。

16.2.2 串口寄存器介绍

串口有几个非常重要的寄存器需要读者理解，这里单独用一个章节来介绍。

数据寄存器（USART_DATA）

该寄存器虽然只有一个，但内部是映射为发送和接受两个寄存器。

发送时，除了发送数据寄存器，还有一个移位寄存器，当数据写入数据寄存器中，移位寄存器空闲的情况下，数据从数据寄存器中转移到移位寄存器，移位寄存器按照低bit——高bit的顺序将数据移位到IO口上。

接收时，接收到的数据保存在数据寄存器中，CPU或DMA可以从该寄存器中读接收到的数据。

状态寄存器0（USART_STAT0 ）

我们需要特别理解TBE、TC、RBNE、IDLE、OREE这几位。

TBE（发送空）：这个位置“1”表示现在可以往数据寄存器中写数据了，当移位寄存器空闲时，写入到数据寄存器中的数据则会转移到移位寄存器中，串口开始对外发送数据；
TC（发送完成）：发送数据时，当数据寄存器和移位寄存器都为空时，表示所有的数据都已经完成了，则TC置“1”，所以当连续发数据时，最后一个字节从移位寄存器中发送完，TC才会置起。
RBNE（接受非空）：当串口接受到一个字节数据，RBNE置“1”，此时CPU可以去数据寄存器中取数据，当使用了DMA接受，DMA自动将数据寄存器中数据搬走，当数据寄存器数据被读走/搬走，RBNE位自动清“0”；
IDLE（空闲）：该标志位用于检测接受空闲，当串口接受最后一个字节后，再往后一个字节时间内，没有接受到新的数据，则该位置“1”；

IDLE一般用于串口DMA接受中，DMA接受中，MCU无法知道发送方的数据个数，所以可以通过判断IDLE位（或IDLE中断）来判断发送方一帧数据发送结束了。

OREE（溢出错误）：当RBNE置位的情况，又接收到一个字节数据，则OREE位置“1”。

16.3 硬件设计

本实验使用DMA进行串口发送和接收，仍然使用USB转UART接口，硬件设计见上一章。

16.4 代码解析

16.4.1 串口DMA发送函数

在driver_uart.c中定义了串口DMA发送函数driver_uart_dma_transmit：

C
Drv_Err driver_uart_dma_transmit(typdef_uart_struct *uartx,uint8_t *pbuff,uint16_t length)
{
    Drv_Err uart_state=DRV_ERROR;

    uint32_t timeout = driver_tick;
    while(uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendState==1){
        if((timeout+UART_TIMEOUT_MS) <= driver_tick) {
            uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendState=0;
            return DRV_ERROR;
        }
    }
    uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendSucess=0;
    uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendState=1;
    uartx->uart_control.p_Send=pbuff;
    uartx->uart_control.SendSize=length;
    uartx->uart_control.SendCount=0;
    uart_state=driver_dma_flag_wait_timeout(uartx->uart_tx_dma,DMA_FLAG_FTF,SET);
    usart_dma_transmit_config(uartx->uart_x,USART_DENT_DISABLE);
    driver_dma_start(uartx->uart_tx_dma,pbuff,length);
    usart_flag_clear(uartx->uart_x,USART_FLAG_TC);
    usart_dma_transmit_config(uartx->uart_x,USART_DENT_ENABLE);
    usart_interrupt_enable(uartx->uart_x,USART_INT_TC);
    return uart_state;
}

16.4.2 串口DMA接收函数

在driver_uart.c中定义了串口DMA接收函数driver_uart_dma_receive：

C
Drv_Err driver_uart_dma_receive(typdef_uart_struct *uartx,uint8_t *pbuff,uint16_t length)
{
    Drv_Err uart_state=DRV_SUCCESS;
    uint32_t timeout = driver_tick;
    while(uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.RecState==1){
        if((timeout+UART_TIMEOUT_MS) <= driver_tick) {
            uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.RecState=0;
            return DRV_ERROR;
        }
    }
    uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.RecSuccess=0;
    uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.RecState=1;
    uartx->uart_control.p_Rec=pbuff;
    uartx->uart_control.RecSize=length;
    uartx->uart_control.RecCount=0;
    usart_dma_receive_config(uartx->uart_x,USART_DENR_DISABLE);
    driver_dma_start(uartx->uart_rx_dma,pbuff,length);
    USART_STAT0(uartx->uart_x);
    usart_data_receive(uartx->uart_x);
    usart_interrupt_flag_clear(uartx->uart_x,USART_INT_FLAG_IDLE);
    usart_interrupt_enable(uartx->uart_x,USART_INT_IDLE);
    usart_dma_receive_config(uartx->uart_x,USART_DENR_ENABLE);
    return uart_state;
}

16.4.3 main函数实现

以下为main函数代码：

C
int main(void)
{
    delay_init();

    //初始化UART为DMA模式，注册接受完成（IDLE）回调函数
    BOARD_UART.uart_mode_tx=MODE_DMA;
    BOARD_UART.uart_mode_rx=MODE_DMA;
    BOARD_UART.uart_idle_callback=user_receive_complete_callback;
    bsp_uart_init(&BOARD_UART);
    nvic_irq_enable(USART0_IRQn,2,0);
    delay_ms(1000);
    printf("uart dma mode sends and receives loopback packets of indefinite length.\r\n");

    //配置UART接受，最长100byte
    driver_uart_dma_receive(&BOARD_UART,uart_rec_buff,100);

        while (1)
        {
        //查询到接受完成回调函数标志
        if(uart_receive_complete_flag==SET)
        {
            uart_receive_complete_flag=RESET;

            //发送刚接受到的数据
            driver_uart_dma_transmit(&BOARD_UART,uart_send_buff,uart_receive_count);
        }
        }
}

本例程main函数首先进行了延时函数初始化，再初始化UART为DMA模式，接着配置串口BOARD_UART，开启串口中断NVIC，这里使用到了IDLE中断，用来接受不定长数据，然后配置串口DMA接受，最长100个字节，所以我们可以给串口发送100个字节以下长度的数据。在while（1）循环中循环查询uart_receive_complete_flag标志位，当该标志位为“SET”时，表示IDLE中断被触发，一帧数据接受完，最后将接收到的帧数据通过DMA发送方式原封不动发送到串口上。

16.4.4 中断函数

在bsp_uart.c中定义了串口中断处理函数

C
void USART0_IRQHandler(void)
{
driver_uart_int_handler(&BOARD_UART);
}

在driver_uart.c中定义了driver_uart_int_handler函数：

C
Drv_Err driver_uart_int_handler(typdef_uart_struct *uartx)
{
    Drv_Err uart_state=DRV_SUCCESS;
    if(usart_interrupt_flag_get(uartx->uart_x,USART_INT_FLAG_RBNE)!=RESET)
    {
        if(uartx->uart_control.RecCount < uartx->uart_control.RecSize){
            uartx->uart_control.p_Rec[uartx->uart_control.RecCount]=usart_data_receive(uartx->uart_x);
            uartx->uart_control.RecCount++;
        }
        else{
            usart_data_receive(uartx->uart_x);
            uart_state=DRV_ERROR;
            //err 溢出
        }
        if(uartx->uart_rbne_callback!=NULL){
            uartx->uart_rbne_callback(uartx);
        }
        //callback
        if(uartx->uart_control.RecCount == uartx->uart_control.RecSize){
            uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.RecSuccess=1;
            uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.RecState=0;
            uartx->uart_control.RecCount=0;
        }
    }
    if(usart_interrupt_flag_get(uartx->uart_x,USART_INT_FLAG_IDLE)!=RESET)
    {
        usart_interrupt_flag_clear(uartx->uart_x,USART_INT_FLAG_IDLE);
        USART_STAT0(uartx->uart_x);
        USART_DATA(uartx->uart_x);

        if( (uartx->uart_mode_rx==MODE_INT && uartx->uart_control.RecCount>0) \
            ||(uartx->uart_mode_rx==MODE_DMA && dma_transfer_number_get(uartx->uart_rx_dma->dmax,uartx->uart_rx_dma->dma_chx)!=uartx->uart_control.RecSize))
        {
            uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.RecSuccess=1;
            uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.RecState=0;

            if(uartx->uart_mode_rx==MODE_DMA){
                uartx->uart_control.RecCount=uartx->uart_control.RecSize-dma_transfer_number_get(uartx->uart_rx_dma->dmax,uartx->uart_rx_dma->dma_chx);
            }
            //callback
            if(uartx->uart_idle_callback!=NULL){
                uartx->uart_idle_callback(uartx);
            }
        }

    }

    if(usart_interrupt_flag_get(uartx->uart_x,USART_INT_FLAG_TBE)!=RESET)
    {
        usart_data_transmit(uartx->uart_x,uartx->uart_control.p_Send[uartx->uart_control.SendCount]);
        uartx->uart_control.SendCount++;

        if(uartx->uart_tbe_callback!=NULL){
            uartx->uart_tbe_callback(uartx);
        }

        if(uartx->uart_control.SendCount >= uartx->uart_control.SendSize)
        {
            uartx->uart_control.SendCount=0;
            usart_interrupt_disable(uartx->uart_x, USART_INT_TBE);
            usart_interrupt_enable(uartx->uart_x, USART_INT_TC);
        }
    }

    if(usart_interrupt_flag_get(uartx->uart_x,USART_INT_FLAG_TC)!=RESET)
    {
        usart_interrupt_disable(uartx->uart_x, USART_INT_TC);
        usart_flag_clear(uartx->uart_x,USART_FLAG_TC);

        if( !(uartx->uart_mode_rx==MODE_DMA && dma_transfer_number_get(uartx->uart_tx_dma->dmax,uartx->uart_tx_dma->dma_chx)!=0) )
        {
            uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendSucess=1;
            uartx->uart_control.Com_Flag.Bits.SendState=0;

            if(uartx->uart_tc_callback!=NULL){
                uartx->uart_tc_callback(uartx);
            }

            uartx->uart_control.SendCount=0;
        }
    }

    if(usart_flag_get(uartx->uart_x,USART_FLAG_ORERR)==SET)
    {
        usart_flag_clear(uartx->uart_x,USART_FLAG_ORERR);
        USART_STAT0(uartx->uart_x);
        USART_DATA(uartx->uart_x);
        uart_state=DRV_ERROR;
    }

    return uart_state;

}

16.5 实验结果

使用USB-TypeC线，连接电脑和板上USB to UART口后，使用串口调试助手发送一帧数据到MCU，MCU会将这帧数据回发到串口调试助手中。

本教程由GD32 MCU方案商聚沃科技原创发布，了解更多GD32 MCU教程，关注聚沃科技官网

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