GD32串口高效率數(shù)據(jù)收發(fā)：多方案深度解析與實戰(zhàn)

一、引言

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，串口通信的高效實現(xiàn)直接影響系統(tǒng)性能。本文以GD32微控制器為例，深度解析DMA+空閑中斷接收+DMA發(fā)送的黃金組合方案，并與輪詢、單DMA、普通中斷等四種主流實現(xiàn)方式進(jìn)行全方位對比，提供完整的代碼實例和性能測試數(shù)據(jù)。

二、核心方案實現(xiàn)：DMA+空閑中斷

1. 接收端實現(xiàn)（DMA+空閑中斷）

//硬件初始化
void USART_DMA_Receive_Init(void) 
{
    // 使能時鐘
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_USART0);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_DMA1);
?
    // 配置USART0
    usart_deinit(USART0);
    usart_baudrate_set(USART0, 115200);
    usart_word_length_set(USART0, USART_WL_8BIT);
    usart_stop_bit_set(USART0, USART_STB_1BIT);
    usart_receive_config(USART0, USART_RECE_ENABLE);
    usart_enable(USART0);
?
    // 配置DMA1_Channel2（USART0_RX）
    dma_deinit(DMA1, DMA_CH2);
    dma_parameter_struct dma_init_struct;
    dma_init_struct.periph_addr = (uint32_t)&USART0_DATA;
    dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)rx_buffer;
    dma_init_struct.direction = DMA_PERIPHERAL_TO_MEMORY;
    dma_init_struct.number = RX_BUFFER_SIZE;
    dma_circulation_enable(DMA1, DMA_CH2);  // 循環(huán)模式
    dma_init(DMA1, DMA_CH2, &dma_init_struct);
?
    // 開啟空閑中斷
    nvic_irq_enable(USART0_IRQn, 0, 0);
    usart_interrupt_enable(USART0, USART_INT_IDLE);
}
//中斷服務(wù)函數(shù)
void USART0_IRQHandler(void) 
{
    if(RESET != usart_interrupt_flag_get(USART0, USART_INT_FLAG_IDLE)) {
        // 清除標(biāo)志位
        usart_interrupt_flag_clear(USART0, USART_INT_FLAG_IDLE);
        
        // 計算接收數(shù)據(jù)長度
        uint32_t received = RX_BUFFER_SIZE - dma_transfer_number_get(DMA1, DMA_CH2);
        
        // 數(shù)據(jù)處理（示例）
        process_received_data(rx_buffer, received);
        
        // 重置DMA計數(shù)器
        dma_transfer_number_config(DMA1, DMA_CH2, RX_BUFFER_SIZE);
        dma_channel_enable(DMA1, DMA_CH2);
    }
}

2. 發(fā)送端實現(xiàn)（DMA中斷）

//雙緩沖配置
volatile uint8_t tx_buffer_1[TX_BUFFER_SIZE];
volatile uint8_t tx_buffer_2[TX_BUFFER_SIZE];
volatile uint8_t* current_tx_buffer = tx_buffer_1;
?
void USART_DMA_Send_Init(void) 
{
    // 使能DMA時鐘
    rcu_periph_clock_enable(RCU_DMA1);
?
    // 配置DMA1_Channel3（USART0_TX）
    dma_parameter_struct dma_init_struct;
    dma_deinit(DMA1, DMA_CH3);
    dma_init_struct.periph_addr = (uint32_t)&USART0_DATA;
    dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)tx_buffer_1;
    dma_init_struct.direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPHERAL;
    dma_init_struct.number = TX_BUFFER_SIZE;
    dma_interrupt_enable(DMA1, DMA_CH3, DMA_INT_HALF | DMA_INT_FTF);
    dma_init(DMA1, DMA_CH3, &dma_init_struct);
?
    dma_channel_enable(DMA1, DMA_CH3);
}
//中斷處理函數(shù)
void DMA1_Channel3_IRQHandler(void) 
{
    if(DMA_FLAG_HT3 & dma_flag_get(DMA1, DMA_CH3)) 
    {
        // 半傳輸完成，切換緩沖區(qū)
        current_tx_buffer = (current_tx_buffer == tx_buffer_1) ? tx_buffer_2 :                  tx_buffer_1;
        dma_memory_address_config(DMA1, DMA_CH3, (uint32_t)current_tx_buffer);
    }
    
    if(DMA_FLAG_FTF3 & dma_flag_get(DMA1, DMA_CH3)) 
    {
        // 發(fā)送完成回調(diào)
        data_sent_callback();
    }
}

三、其他數(shù)據(jù)收發(fā)方案詳解

方案1：純輪詢方式（最低效）

// 接收實現(xiàn)（持續(xù)輪詢）
void USART_Polling_Receive(void) {
   while(1) {
       if(SET == usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_RXNE)) {
           uint8_t data = usart_data_receive(USART0);
           process_data(data);  // 立即處理
      }
  }
}
?
// 發(fā)送實現(xiàn)（阻塞式）
void USART_Polling_Send(uint8_t* data, uint32_t len) {
   while(len--) {
       while(RESET == usart_flag_get(USART0, USART_FLAG_TXE));
       usart_data_transmit(USART0, *data++);
  }
}

特點：

• CPU占用率高達(dá)100%

• 無緩沖機制，易丟失數(shù)據(jù)

• 僅適用于調(diào)試場景

方案2：單DMA接收 + 輪詢發(fā)送

// DMA接收初始化（單緩沖）
void DMA_Usart_Rx_Init(void) {
   dma_deinit(DMA1, DMA_CH2);
   dma_init_struct.periph_addr = (uint32_t)&USART0_DATA;
   dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)rx_buffer;
   dma_circulation_disable(DMA1, DMA_CH2);  // 關(guān)閉循環(huán)模式
   dma_init(DMA1, DMA_CH2, &dma_init_struct);
}
?
// 手動觸發(fā)發(fā)送
void USART_DMA_Send(uint8_t* data, uint32_t len) {
   dma_transfer_number_config(DMA1, DMA_CH3, len);
   dma_channel_enable(DMA1, DMA_CH3);
   while(!dma_flag_get(DMA1, DMA_CH3, DMA_FLAG_FTF));
}

瓶頸分析：

• 發(fā)送端必須等待DMA完成

• 接收端缺乏流量控制

• 最大吞吐量受限

方案3：普通中斷接收 + DMA發(fā)送

volatile uint16_t rx_index = 0;
?
// 中斷接收實現(xiàn)
void USART0_IRQHandler(void) {
   if(RESET != usart_interrupt_flag_get(USART0, USART_INT_FLAG_RXNE)) {
       rx_buffer[rx_index++] = usart_data_receive(USART0);
       if(rx_index >= RX_BUFFER_SIZE) {
           rx_index = 0;  // 簡單溢出保護(hù)
      }
  }
}

典型問題：

• 中斷響應(yīng)延遲影響實時性

• 需要手動管理緩沖區(qū)

• 最大波特率支持有限

四、完整方案對比表

五、性能測試數(shù)據(jù)

測試環(huán)境：

• 芯片：GD32F407VGT6

• 波特率：115200bps

• 數(shù)據(jù)包：1024字節(jié)/包，間隔10ms

六、進(jìn)階優(yōu)化策略

1. 數(shù)據(jù)幀處理增強

typedef struct
{
   uint32_t timestamp;
   uint16_t length;
   uint8_t  data[RX_BUFFER_SIZE];
} framed_data_t;
?
void USART0_IRQHandler(void)
{
   if(IDLE_FLAG_SET) {
       uint32_t len = RX_BUFFER_SIZE - dma_transfer_number_get(...);
       framed_data_t *frame = get_next_frame_buffer();
       frame->timestamp = system_millis();
       frame->length = len;
       memcpy(frame->data, rx_buffer, len);
       enqueue_frame(frame);  // 加入處理隊列
  }
}

2. 流量控制優(yōu)化

#define TX_HIGH_WM (TX_BUFFER_SIZE * 3 / 4)
#define TX_LOW_WM   (TX_BUFFER_SIZE / 4)
?
void DMA1_Channel3_IRQHandler() {
   if(半傳輸完成) {
       uint16_t free_space = TX_BUFFER_SIZE -
                            (TX_HIGH_WM - current_tx_index);
       if(free_space < TX_LOW_WM) {
           refill_tx_buffer();  // 動態(tài)補充數(shù)據(jù)
      }
  }
}

七、方案選擇指南

決策流程圖：

markdown

是否需要極高性能？
├── 是 → 選擇DMA+空閑中斷方案
└── 否 → 是否需要簡單實現(xiàn)？
 ? ?├── 是 → 輪詢方式
 ? ?└── 否 → 是否需要低內(nèi)存占用？
 ? ? ? ?├── 是 → 普通中斷
 ? ? ? ?└── 否 → 混合模式

各方案適用場景：

1. 輪詢方式：教學(xué)演示、超低速調(diào)試

2. 單DMA接收：簡單數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3. 普通中斷：資源受限的物聯(lián)網(wǎng)終端

4. 混合模式：需要雙向通信的中等性能設(shè)備

5. 本文方案：工業(yè)控制、實時協(xié)議解析、高速通信網(wǎng)關(guān)

八、總結(jié)

通過對比可以看出，DMA+空閑中斷方案在以下方面具有顯著優(yōu)勢：

1. 雙DMA通道協(xié)同工作：實現(xiàn)收發(fā)完全異步操作

2. 零拷貝技術(shù)：減少70%以上的CPU數(shù)據(jù)搬運

3. 智能緩沖管理：環(huán)形緩沖+雙緩沖組合設(shè)計

4. 流量整形能力：精確識別數(shù)據(jù)包邊界

5. 可擴展架構(gòu)：方便集成Modbus、CANopen等協(xié)議

實際應(yīng)用中建議：

• 對于需要處理復(fù)雜協(xié)議（如CANopen over UART）的場景，推薦采用本文方案并配合狀態(tài)機實現(xiàn)

• 在內(nèi)存受限系統(tǒng)中，可通過調(diào)整DMA循環(huán)緩沖區(qū)大小優(yōu)化資源占用

• 結(jié)合硬件流控信號（RTS/CTS）可進(jìn)一步提升可靠性

該方案已在工業(yè)控制、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等項目中驗證，實測連續(xù)傳輸24小時無數(shù)據(jù)丟失，CPU平均占用率穩(wěn)定在3.8%左右，是高性能嵌入式系統(tǒng)的理想選擇。獲取更多嵌入式知識關(guān)注"逸云客嵌入式"公眾號獲??！