STM32串口通信IDLE

引入

最近在做UART与上位机通信的时候，注意到STM32的UART居然支持硬件IDLE。

于是就尝试了一把 IDLE+DMA 的模式，使得设备可以自动在接收空闲时唤起中断，DMA直接搬运数据到内存，实现任意长度的命令或是数据都能自动完成接收和回调。

IDLE模式

首先来讲讲什么是IDLE模式？

所谓的IDLE就是not working or being used，翻译成中文就是闲置状态。当UART的Rx总线收到持续信息时，会在最后一帧数据结束后进行检查，当出现了至少一帧的闲置电平，就会唤醒相关的回调函数管理。也就实现了无论数据长度有多长，都会自动停止接收并进入中断处理，非常方便。

网上某些过时的教程会告诉你，UART的IDLE模式要通过以下这样的语句开启：
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE)

其实HAL库目前已经将IDLE的相关功能封装成了正式函数，并且已经包含在下列库文件中。

• stm32g4xx_hal_uart_ex.c
• stm32g4xx_hal_uart_ex.h

现在打开IDLE模式的正确姿势应该是：
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA

这些函数会自动开启IDLE功能，并启用相关的中断。IDLE接收本身就很方便，但如果再加上DMA辅助搬运数据，就更能为CPU分担压力，节省计算资源。

然而如果我们真的想写一个足够健壮且高效的串口处理程序，不用的时候就安静的待在一边，数据来了的时候就自动接收、自动搬运、自动停止、自动通知CPU处理。

那可能还真没那么好写，因为一旦牵扯到DMA，问题就会开始变得复杂。

当一组数据被传递过来，而CPU还在运算其他优先级更高的任务，来不及处理这批数据。紧接着又来了一批数据把上一批数据全部覆盖掉，此时的CPU就浑然不知，只做了一批数据的回调处理就继续干别的去了，这样就导致了前一批数据丢失。

DMA中断模型

其实数据被反复覆盖的问题在HAL库设计之初就有被考虑到过，HAL库也给出了相应的解决方案：
HAL_UART_RxHalfCpltCallback
HAL_UART_RxCpltCallback

现在我们考虑如下的情形：

首先使能 DMA 的 Circular 模式，开启数据的循环接收。随后创建一个 Buffer[20] 用来接收数据，并用 R 和 W 来标记当前缓冲区内读指针和写指针。且当 Buffer[20] 被填写到一半或者填满时，就触发对应的回调函数 HT 和 TC ；每当本次数据接收完毕，I 就会被触发，也就是空闲中断回调。

此时可以将所有的内存写入问题归纳为如下五种模型(图源)：

DMA Circular

• 情况 A:
  收到10字节，触发 HT ，随后处理已接收的数据。

• 情况 B:
  收到10字节，触发 TC ，处理现在从最后已知位置 R 开始，直到内存结束。DMA 处于循环模式，因此它会从缓冲区的开头继续传输数据，覆盖原有数据。

• 情况 C:
  收到10字节，当接收到前6字节时，触发了 HT 。但在接下来4字节传输后，将再次触发 I 。

• 情况 D:
  收到10字节，前4字节会触发 TC ，随后缓冲区溢出，回到顶点重新覆盖旧数据。接下来6字节成功传输到内存后，触发 I 。

• 情况 E:
  收到30字节，超出缓冲区能处理的范围，有10字节会被直接覆盖。这时 HT 和 TC 就起到了作用，当刚好发到20个字节时，HT 和 TC 会被分别触发一次。而若这两次都已经被触发过了，还在有新的数据进入，并且一直覆盖过了原先的 R 指针，那么就说明发生了错误，需要及时进行相应的错误处理。

由上述模型可知，HAL库之所以只提供 HT 和 TC 这两个节点的回调，正是因为这两点能够满足最基本的数据溢出检查。

即便数据溢出到能覆盖两轮以上(对于上述的模型也就是在20字节缓冲区里发送40字节及以上)，我们也可以凭中断被多次触发，而数据未被CPU及时处理，来判断UART接收出现了错误。

Callback问题

虽然上述想法很好，但是实践起来还是会有一些问题。

首先IDLE中断会触发下列函数的回调：
HAL_UART_RxCpltCallback
HAL_UART_RxHalfCpltCallback
HAL_UARTEx_RxEventCallback

那么考虑以下的情况，当数据恰好被填到一半的时候，理应有两次中断被调用：

1. 当数据被填充到一半时唤起“HAL_UART_RxHalfCpltCallback”
2. 随后Rx总线空闲，唤起“HAL_UARTEx_RxEventCallback”

同理，被恰好填充到满时也应该有两次调用，对吧？

但是事实并非如此，被恰好填充到满时，数据缓冲区会被重置，并从缓冲区顶重新写入，此时IDLE中断并不会被唤起。

这就给程序的判断造成了难题，是否能在这里截断？如果数据还没完，就直接将现在接收到的数据交给CPU，那得到的结果肯定是不正确的。

另一个问题是，两次中断之间是肯定有时间间隙的。像H7这样的芯片，在满主频且串口压力较小的情况下，是真的可以做到在两次中断之间把现有截断的数据处理完成，进而导致结果错误的。

这些问题的出现既有可能是HAL库设计不周，也有可能 UART IDLE 根本不是这样设计来用的。笔者本人水平一般，暂时没有得出有说服力的结论。之后关于这个问题若是有什么进展，会及时在这篇博客更新。

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倒是有一些比较偷懒的办法解决上述冲突，虽然不太优雅就是了。

__HAL_DMA_DISABLE_IT(&DMA_RX_HANDLE, DMA_IT_HT);
__HAL_DMA_DISABLE_IT(&DMA_RX_HANDLE, DMA_IT_TC);

用上述两个函数可以禁用 HT 和 TC 中断，此时就只有 UART IDLE 的中断会被调用。虽然此时缓冲区被恰好填充完整时，依然不会有任何中断会被调用。但上位机可以任意发送一位信息，唤起IDLE中断让其进行处理。