Embedded Tutorial 3 - UART接收中断与DMA

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上一讲我们讲解了什么是 UART

并完成了一次 STM32 与电脑间的双向UART通讯

本节，我们详细讲解：STM32接收UART数据的方式，代码怎么写

方式一：阻塞接收

阻塞：操作未完成时，程序停在函数内部等待，不能继续执行主循环中的其他任务。

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive(
    UART_HandleTypeDef *huart, // 使用哪个UART
    uint8_t *pData,           // 接收缓冲区
    uint16_t Size,            // 必须接收的字节数
    uint32_t Timeout          // 最长等待时间，单位ms
);

Size 是“必须收满多少字节”。

示例：固定接收 4 字节，成功后原样发回。

uint8_t rx_buffer[4];

while (1)
{
    HAL_StatusTypeDef status;

    status = HAL_UART_Receive(&huart2, rx_buffer, sizeof(rx_buffer), HAL_MAX_DELAY);

    if (status == HAL_OK)
    {
        HAL_UART_Transmit(&huart2, rx_buffer, sizeof(rx_buffer), 1000);
    }
}

如果电脑只发送 ABC 三字节，函数会继续等待第 4 字节，直到超时。

阻塞接收的缺点

阻塞接收：

CPU主动等待每一个字节的到来，并处理。

缺点：

等待期间 CPU 无法处理其他任务，大量CPU资源被浪费在了等待这种无意义的事情上。
超时时间太短容易截断（大包），太长会卡住程序
不适合需要同时控制电机、读取传感器的主循环（有其他高频任务）

有没有一种更好的方式？

等待信件有两种方式：

一直站在门口看，等信件来了就立刻收下。
门上安装个门铃：做事，信件到达时，门铃响，(放下手头的事去取信。收完信)，继续做事。

方式二：中断接收 ??什么是中断??

什么是中断?

main() 函数 正在运行
      ↓ UART收到数据，产生中断
UART Callback 函数
      ↓ 处理完成
回到 main() 之前断掉位置，继续运行

中断（Interrupt）：硬件事件发生时，CPU 暂停当前工作，转去执行对应的中断处理程序；处理完成后，再回到原来的位置继续运行。

开启中断的函数

/**
  * @brief  Receives an amount of data in non blocking mode.
  * @note   When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M1-M0 = 01),
  *         the received data is handled as a set of u16. In this case, Size must indicate the number
  *         of u16 available through pData.
  * @param  huart Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *               the configuration information for the specified UART module.
  * @param  pData Pointer to data buffer (u8 or u16 data elements).
  * @param  Size  Amount of data elements (u8 or u16) to be received.
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)

注册Callback的函数

#if (USE_HAL_UART_REGISTER_CALLBACKS == 1)
/**
  * @brief  Register a User UART Callback
  *         To be used instead of the weak predefined callback
  * @note   The HAL_UART_RegisterCallback() may be called before HAL_UART_Init(), HAL_HalfDuplex_Init(), HAL_LIN_Init(),
  *         HAL_MultiProcessor_Init() to register callbacks for HAL_UART_MSPINIT_CB_ID and HAL_UART_MSPDEINIT_CB_ID
  * @param  huart uart handle
  * @param  CallbackID ID of the callback to be registered
  *         This parameter can be one of the following values:
  *           @arg @ref HAL_UART_TX_HALFCOMPLETE_CB_ID Tx Half Complete Callback ID
  *           @arg @ref HAL_UART_TX_COMPLETE_CB_ID Tx Complete Callback ID
  *           @arg @ref HAL_UART_RX_HALFCOMPLETE_CB_ID Rx Half Complete Callback ID
  *           @arg @ref HAL_UART_RX_COMPLETE_CB_ID Rx Complete Callback ID
  *           @arg @ref HAL_UART_ERROR_CB_ID Error Callback ID
  *           @arg @ref HAL_UART_ABORT_COMPLETE_CB_ID Abort Complete Callback ID
  *           @arg @ref HAL_UART_ABORT_TRANSMIT_COMPLETE_CB_ID Abort Transmit Complete Callback ID
  *           @arg @ref HAL_UART_ABORT_RECEIVE_COMPLETE_CB_ID Abort Receive Complete Callback ID
  *           @arg @ref HAL_UART_MSPINIT_CB_ID MspInit Callback ID
  *           @arg @ref HAL_UART_MSPDEINIT_CB_ID MspDeInit Callback ID
  * @param  pCallback pointer to the Callback function
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_RegisterCallback(UART_HandleTypeDef *huart, HAL_UART_CallbackIDTypeDef CallbackID,
                                            pUART_CallbackTypeDef pCallback)

示例：中断接收数据

uint8_t rxBuffer[4];

进入 while (1) 前启动第一次接收：

HAL_UART_RegisterCallback(&huart2, HAL_UART_RX_COMPLETE_CB_ID, uart2RxCallback);
HAL_UART_Receive_IT(&huart2, rxBuffer, 4);

HAL_UART_Receive_IT() 启动一次接收后立即返回；收满指定字节数后，HAL 调用接收完成回调。

回调函数的实现：

void uart2RxCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    HAL_UART_Receive_IT(&huart2, rxBuffer, 4);
}

主循环运行其他代码：

while (1)
{
    // 运行其他代码
    HAL_Delay(1);
}

中断接收是“一次性预约”：完成后必须再次调用 HAL_UART_Receive_IT()，否则后续数据不会进入缓冲区。

实践：中断接收 8 字节数据

CubeMX 启用 USART 中断

以 USART2 为例：

将 USART2 设置为 Asynchronous
保持上一讲的 115200 8N1
在 NVIC Settings 中勾选 USART2 global interrupt
将中断优先级设置为9
Generate Code

普通中断接收：优缺点和适用场景

优点：

数据没到时不阻塞主循环，没有无意义的等待。
秒杀阻塞这种安卓思维。

缺点？（后续会讲）

适用场景：固定 n 字节控制指令、短传感器数据、低频命令等。

问题：如果使用：

HAL_UART_Receive_IT(&huart2, rx_buffer, 64);

电脑只发送 5 字节的 start，就不会触发接收完成回调。如何接收这种不定长数据？

方式三：UART 空闲中断

UART 没有发送数据时，RX 保持高电平，即 Idle 状态。

当 UART 已经收到数据，随后线路持续一个数据帧左右的时间没有新数据，UART 外设会产生 IDLE Line Event（空闲线事件）。

[byte 1][byte 2][byte 3]-------- idle --------
                                  ^ 触发IDLE

可以把一段连续到达、随后出现空闲的数据视为一个数据块。会触发空闲中断。

开启中断的函数：

/**
  * @brief Receive an amount of data in interrupt mode till either the expected number of data is received or an IDLE event occurs.
  * @note   Reception is initiated by this function call. Further progress of reception is achieved thanks
  *         to UART interrupts raised by RXNE and IDLE events. Callback is called at end of reception indicating
  *         number of received data elements.
  * @note   When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M = 01),
  *         the received data is handled as a set of uint16_t. In this case, Size must indicate the number
  *         of uint16_t available through pData.
  * @param huart UART handle.
  * @param pData Pointer to data buffer (uint8_t or uint16_t data elements).
  * @param Size  Amount of data elements (uint8_t or uint16_t) to be received.
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)

注册Callback的函数

/**
  * @brief  Register a User UART Rx Event Callback
  *         To be used instead of the weak predefined callback
  * @param  huart     Uart handle
  * @param  pCallback Pointer to the Rx Event Callback function
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_RegisterRxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, pUART_RxEventCallbackTypeDef pCallback)

示例：空闲中断接收不定长数据

uint8_t rxBuffer[64];

进入主循环前启动：

HAL_UART_RegisterRxEventCallback(&huart2, uart2RxToIdleCallback);
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart2, rxBuffer, 64);

线路空闲或收到数据大小达到64时，HAL 调用以下回调。Size 是本次实际收到的字节数：

void uart2RxToIdleCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t size)
{
  HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart2, rxBuffer, 64);
}

主循环运行其他代码

while (1)
{
    // 运行其他代码
    HAL_Delay(1);
}

空闲中断接收：优缺点和适用场景

优点：

不需要预先知道精确长度
数据停下来后，可以得到本次实际接收长度
继承中断接收的优点

缺点：继承中断接收的缺点（到底是啥啊？？）

适用场景：

不定长、成段到达的数据
电脑串口助手发送的命令
“发送一段后短暂停顿”的设备

中断接收不为人知的秘密 ._?

普通中断接收的数据路径：

UART收到一个字节 -> 中断CPU -> CPU读取UART外设寄存器 -> CPU把数据从寄存器搬运到内存
      ⬆                                                 ↓
      ------------------------<-------------------------
当：一批数据接收完成 -> CPU在RAM中处理数据

接收每个字节时仍需要 CPU 中断搬运只是从UART外设搬运到内存而已！

高频、连续数据会带来较大的中断负担

想象一下你收128字节的打包，会断128次！

非常之不优雅。

那怎么办？那你能帮帮我么？

帮！DMA来帮

（对，你没听错，就是你以前听到过的那个DMA！）

方式四：DMA？! 对的对的 !

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）：在外设和内存之间自动搬运数据的硬件模块（也是一个外设）。不经过CPU直接操作内存，极大提升效率。

DMA接收流程：

UART收到字节 -> DMA自动把数据搬运到内存

DMA在一批数据完成后中断CPU -> CPU执行Callback

DMA外设只负责搬运。

我们只需要配置搬运的源头和目的地，DMA外设就可以 独立于CPU 搬运数据。

（DMA挂的原理正是如此：数据不流经CPU而直接通过DMA送到另一台计算机进行分析，故也不经过操作系统，所以软件反作弊难查出DMA作弊。）

示例：DMA+空闲中断，Normal 模式

开启DMA空闲中断接收的函数

/**
  * @brief Receive an amount of data in DMA mode till either the expected number of data is received or an IDLE event occurs.
  * @note   Reception is initiated by this function call. Further progress of reception is achieved thanks
  *         to DMA services, transferring automatically received data elements in user reception buffer and
  *         calling registered callbacks at half/end of reception. UART IDLE events are also used to consider
  *         reception phase as ended. In all cases, callback execution will indicate number of received data elements.
  * @note   When the UART parity is enabled (PCE = 1), the received data contain
  *         the parity bit (MSB position).
  * @note   When UART parity is not enabled (PCE = 0), and Word Length is configured to 9 bits (M = 01),
  *         the received data is handled as a set of uint16_t. In this case, Size must indicate the number
  *         of uint16_t available through pData.
  * @param huart UART handle.
  * @param pData Pointer to data buffer (uint8_t or uint16_t data elements).
  * @param Size  Amount of data elements (uint8_t or uint16_t) to be received.
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)

注册Callback的函数

/**
  * @brief  Register a User UART Rx Event Callback
  *         To be used instead of the weak predefined callback
  * @param  huart     Uart handle
  * @param  pCallback Pointer to the Rx Event Callback function
  * @retval HAL status
  */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_RegisterRxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, pUART_RxEventCallbackTypeDef pCallback)

自定义的Callback函数

void uart2RxToIdleDMACallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t size)
{
  HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, rxBuffer, 64);
  __HAL_DMA_DISABLE_IT(huart2.hdmarx, DMA_IT_HT);
}

进入主循环前启动：

HAL_UART_RegisterRxEventCallback(&huart2, uart2RxToIdleDMACallback);
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart2, rxBuffer, 64);
__HAL_DMA_DISABLE_IT(huart2.hdmarx, DMA_IT_HT);

while (1)
{
    // 运行其他代码
    HAL_Delay(1);
}

实践：DMA+空闲中断接收

CubeMX 配置 USART2_RX DMA：

DMA Settings 中添加 RX 请求
Direction：Peripheral To Memory
Peripheral Increment：Disable
Memory Increment：Enable
Data Width：Byte
入门示例选择 Normal 模式
NVIC 中启用 USART2 和对应 DMA Channel 中断

DMA+空闲中断：优缺点和适用场景

优点：

DMA 自动搬运，CPU 不必逐字节响应
适合高波特率和大数据量
Receive-to-Idle 能获得不定长数据

适用场景：不定长、高速、大数据量或连续到达的数据。

四种接收方式对比

方式	搬运者	结束条件	适合场景
阻塞接收	CPU主循环	收满 Size / 超时	简单（RM不建议用）
普通中断	CPU中断	收满 Size	短小固定长度数据
空闲中断	CPU中断	收满 Size / IDLE	不定长、成段数据（有间隔）
DMA + 空闲中断	DMA	收满 Size / IDLE	高速、大量、连续数据

应面向不同场景选择满足需求的最合适的方案。

也可以用位域！非常方便！

数据解码

现实世界，场景复杂。

一个数字可能被uart拆成两个包发送，我们需要从两个包里还原出来原始数据

应用层协议的解析（Decode）方法：位域

什么是位域 Bit-field？

C 语言允许规定一个结构体成员只占用若干个 bit，这种成员称为位域。

typedef struct {
    uint16_t HP  : 13;
    uint16_t MP  : 13;
    uint16_t STR : 10;
    uint16_t DEF : 10;
    uint16_t INT : 10;
} __attribute__((packed, aligned(1))) ReceivedBitValue;

每个冒号后的数字表示成员占用的位数：

uint8_t mode : 3;  // 只能保存 0～7

位域解码示例

#include <string.h>
#include <stdint.h>
typedef struct {
    uint16_t HP  : 13;
    uint16_t MP  : 13;
    uint16_t STR : 10;
    uint16_t DEF : 10;
    uint16_t INT : 10;
} __attribute__((packed, aligned(1))) ReceivedBitValue;

typedef struct {
  uint16_t HP;
  uint16_t MP;
  uint16_t STR;
  uint16_t DEF;
  uint16_t INT;
}ReceivedValue;

static uint8_t data[7] = {0xFA, 0x02, 0x5F, 0xBE, 0x70, 0xCB, 0xE7};
ReceivedBitValue decoded_data_in_bit_field;
ReceivedValue decoded_data;

解码代码

memcpy(&decoded_data_in_bit_field, data, sizeof(data)); // 复制内存
decoded_data.HP = decoded_data_in_bit_field.HP;
decoded_data.MP = decoded_data_in_bit_field.MP;
decoded_data.STR = decoded_data_in_bit_field.STR;
decoded_data.DEF = decoded_data_in_bit_field.DEF;
decoded_data.INT = decoded_data_in_bit_field.INT;

实践：作业1

使用 DMA RxToIdle 接收FS遥控器的数据，并解码。

Tuto阶段成绩占比：

DDL：

最后更新:2026年9月26日 00:00:08

Embedded Tutorial 3 - UART接收 中断与DMA

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方式一：阻塞接收

阻塞接收的缺点

有没有一种更好的方式？

方式二：中断接收 ??什么是中断??

什么是中断?

开启中断的函数

注册Callback的函数

示例：中断接收数据

实践：中断接收 8 字节数据

CubeMX 启用 USART 中断

普通中断接收：优缺点和适用场景

方式三：UART 空闲中断

示例：空闲中断接收不定长数据

空闲中断接收：优缺点和适用场景

中断接收不为人知的秘密 ._?

帮！DMA来帮

方式四：DMA？! 对的对的 !

示例：DMA+空闲中断，Normal 模式

实践：DMA+空闲中断 接收

DMA+空闲中断：优缺点和适用场景

四种接收方式对比

数据解码

应用层协议的解析（Decode）方法 ：位域

什么是位域 Bit-field？

实践：作业1

Embedded Tutorial 3 - UART接收中断与DMA

实践：DMA+空闲中断接收

应用层协议的解析（Decode）方法：位域