STM32中断与DMA通信编程

一、关于中断、DMA通信原理

1.1中断

中断，在单片机中占有非常重要的地位。代码默认地从上向下执行，遇到条件或者其他语句，会按照指定的地方跳转。而在单片机执行代码的过程中，难免会有一些突发的情况需要处理，这样就会打断当前的代码，待处理完突发情况之后，程序会回到被打断的地方继续执行。

优先级在中断里是一个非常重要的概念，如果同时产生多个中断，CPU会根据他们的优先级来选择这些中断的处理顺序。

1.2外部中断

EXTI 可分为两大部分功能，一个是产生中断，另一个是产生事件，这两个功能从硬件上就有所不同。
编号 1 是输入线，EXTI 控制器有 19 个中断/事件输入线，这些输入线可以通过寄存器设置为任意一个 GPIO，也可以是一些外设的事件，这部分内容我们将在后面专门讲解。输入线一般是存在电平变化的信号。
编号 2 是一个边沿检测电路，它会根据上升沿触发选择寄存(EXTI_RTSR)和下降沿触发选择寄存器(EXTI_FTSR)对应位的设置来控制信号触发。边沿检测电路以输入线作为信号输入端，如果检测到有边沿跳变就输出有效信号 1 给编号 3 电路，否则输出无效信号0。而 EXTI_RTSR 和 EXTI_FTSR 两个寄存器可以控制器需要检测哪些类型的电平跳变过程，可以是只有上升沿触发、只有下降沿触发或者上升沿和下降沿都触发。
编号 3 电路实际就是一个或门电路，它一个输入来自编号 2 电路，另外一个输入来自软件中断事件寄存器(EXTI_SWIER)。EXTI_SWIER允许我们通过程序控制就可以启动中断/事件线，这在某些地方非常有用。我们知道或门的作用就是有 1 就为 1，所以这两个输入随便一个有有效信号 1就可以输出 1 给编号 4和编号 6电路。
编号 4 电路是一个与门电路，它一个输入是编号 3 电路，另外一个输入来自中断屏蔽寄存器(EXTI_IMR)。与门电路要求输入都为 1 才输出 1，导致的结果是如果 EXTI_IMR 设置为 0 时，那不管编号 3 电路的输出信号是 1 还是 0，最终编号 4 电路输出的信号都为 0； 如果EXTI_IMR设置为1时，最终编号4电路输出的信号才由编号3电路的输出信号决定，这样我们可以简单的控制 EXTI_IMR 来实现是否产生中断的目的。编号 4 电路输出的信号会被保存到挂起寄存器(EXTI_PR)内，如果确定编号 4 电路输出为 1 就会把 EXTI_PR 对应位置 1。
编号 5 是将 EXTI_PR 寄存器内容输出到 NVIC 内，从而实现系统中断事件控制。

EXTI（External interrupt/event controller）—外部中断/事件控制器，管理了控制器的 20 个中断/事件线。每个中断/事件线都对应有一个边沿检测器，可以实现输入信号的上升沿检测和下降沿的检测。 EXTI可以实现对每个中断/事件线进行单独配置，可以单独配置为中断或者事件，以及触发事件的属性。
HAL库 GPIO函数库讲解
在正常使用中，除了STM32CubeMX配置之外，我们有时候还需要自己配置一些东西，学习并理解HAL库，也是我们必须要学习的一个地方
打开stm32f4xx_hal_gpio.h 发现一共定义有8个函数

void HAL_GPIO_Init(GPIO_TypeDef *GPIOx, GPIO_InitTypeDef *GPIO_Init);

功能： GPIO初始化

实例：HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

void HAL_GPIO_DeInit(GPIO_TypeDef *GPIOx, uint32_t GPIO_Pin); 

功能：在函数初始化之后的引脚恢复成默认的状态，即各个寄存器复位时的值

实例：HAL_GPIO_Init(GPIOC, GPIO_PIN_4);

GPIO_PinState HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); 

功能：读取引脚的电平状态、函数返回值为0或1

实例：HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_4);

void HAL_GPIO_WritePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, GPIO_PinState PinState); 

功能：引脚写0或1

实例：HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_4,0);

void HAL_GPIO_TogglePin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); 

功能：翻转引脚的电平状态

实例：HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_4); 常用在LED上

HAL_StatusTypeDef HAL_GPIO_LockPin(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin); 

功能：锁住引脚电平，比如说一个管脚的当前状态是1，当这个管脚电平变化时保持锁定时的值。

实例：HAL_GPIO_LockPin(GPIOC, GPIO_PIN_4);

void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin); 

功能： 外部中断服务函数，清除中断标志位

实例：HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_4);

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin); 

功能： 中断回调函数，可以理解为中断函数具体要响应的动作。

实例：HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_PIN_4);

2.1DMA通信原理

DMA(Direct Memory Access)—直接存储器存取，是单片机的一个外设，它的主要功能是用来搬移数据，但是不需要占用 CPU，即在传输数据的时候， CPU 可以干其他的事情，好像是多线程一样。

　DMA就是基于以上设想设计的，它的作用就是解决大量数据转移过度消耗CPU资源的问题。有了DMA使CPU更专注于更加实用的操作–计算、控制等。
　DMA传输方式
DMA的作用就是实现数据的直接传输，而去掉了传统数据传输需要CPU寄存器参与的环节
主要涉及四种情况的数据传输:
外设到内存
内存到外设
内存到内存
外设到外设

DMA传输参数
我们知道，数据传输，首先需要的是1 数据的源地址 2 数据传输位置的目标地址 ，3 传递数据多少的数据传输量 ，4 进行多少次传输的传输模式 DMA所需要的核心参数，便是这四个
当用户将参数设置好，主要涉及源地址、目标地址、传输数据量这三个，DMA控制器就会启动数据传输，当剩余传输数据量为0时 达到传输终点，结束DMA传输 ，当然，DMA 还有循环传输模式 当到达传输终点时会重新启动DMA传输。 　　
也就是说只要剩余传输数据量不是0，而且DMA是启动状态，那么就会发生数据传输。

DMA系统框图

上方的框图，我们可以看到STM32内核，存储器，外设及DMA的连接，这些硬件最终通过各种各样的线连接到总线矩阵中，硬件结构之间的数据转移都经过总线矩阵的协调，使各个外设和谐的使用总线来传输数据。

2.2DMA的主要特征

每个通道都直接连接专用的硬件DMA请求，每个通道都同样支持软件触发。这些功能通过软件来配置；
在同一个DMA模块上，多个请求间的优先权可以通过软件编程设置（共有四级：很高、高、中等和低），优先权设置相等时由硬件决定（请求0优先于请求1，依此类推）；
独立数据源和目标数据区的传输宽度（字节、半字、全字），模拟打包和拆包的过程。源和目标地址必须按数据传输宽度对齐；
支持循环的缓冲器管理；
每个通道都有3个事件标志（DMA半传输、DMA传输完成和DMA传输出错），这3个事件标志逻辑或成为一个单独的中断请求；
存储器和存储器间的传输、外设和存储器、存储器和外设之间的传输；
闪存、SRAM、外设的SRAM、APB1、APB2和AHB外设均可作为访问的源和目标；可编程的数据传输数目：最大为65535。

对于大容量的STM32芯片有2个DMA控制器 两个DMA控制器，DMA1有7个通道，DMA2有5个通道。 每个通道都可以配置一些外设的地址。
①DMA1 controller
从外设（TIMx[x=1、2、3、4]、ADC1、SPI1、SPI/I2S2、I2Cx[x=1、2]和USARTx[x=1、2、3]）产生的7个DMA请求，通过逻辑或输入到DMA1控制器 其中每个通道都对应着具体的外设：


② DMA2 controller
从外设（TIMx[5、6、7、8]、ADC3、SPI/I2S3、UART4、DAC通道1、2和SDIO）产生的5个请求，经逻辑或输入到DMA2控制器，其中每个通道都对应着具体的外设：

2.3DMA传输方式

方法1：DMA_Mode_Normal，正常模式，
当一次DMA数据传输完后，停止DMA传送 ，也就是只传输一次
　　
方法2：DMA_Mode_Circular ，循环传输模式
当传输结束时，硬件自动会将传输数据量寄存器进行重装，进行下一轮的数据传输。 也就是多次传输模式
设与存储器之间
在这里我们以串口USART1，使用DMA模式以115200bps或波特率向上位机连续发送数据为例。
回到我们刚刚所展示的DMA框图上来分析。 主要流程有：
USART1外设向DMA发送USART1_TX请求DMA 收到请求信号之后，控制器会给外设(USART1)一个应答信号，当外设收到应答后外设立即释放它的请求。一旦外设释放了这个请求，DMA控制器同时撤销应答信号，就会启动 DMA 的传输。通过DMA总线与总线矩阵从存储器（Flash）中取出数据通过DAM1通道4将数据传输到USART1_TX

从内存到外设数据实现流程

当使用DMA模式时，不同外设的DMA通道可通过数据手册找到，在这里我找到USART1_TX的通道为DMA1通道4。

存储器与存储器之间
当我们使用DMA模式从Flash中取数据写到SRAM中，可见，当启动DMA传输模式后，DMA外设通过DMA总线，总线矩阵将Flash中的数据直接写到SRAM中。
在这里插入图片描述

二、中断实现LED亮熄

用stm32F103核心板的GPIOA端一管脚接一个LED，GPIOB端口一引脚接一个开关（用杜邦线模拟代替）。采用中断模式编程，当开关接高电平时，LED亮灯；接低电平时，LED灭灯。

1、创建工程

因为这里有三个LED灯，所以我初始化三个GPIO端口模拟按键
选择PA3，选择GPIO_EXTI3模式

继续选择PA6,PB13为GPIO_EXTI

在Pinout&Configuration–System core–GPIO中配置为如下模式

配置中断优先级
在Pinout&Configuration–System core–NVIC中使能外部中断，并配置优先级

配置时钟，设时钟频率为72MHZ

生成工程

2、生成代码

查看代码

void MX_GPIO_Init(void)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(LED_Y_GPIO_Port, LED_Y_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(LED_G_GPIO_Port, LED_G_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(LED_R_GPIO_Port, LED_R_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin : PtPin */
  GPIO_InitStruct.Pin = LED_Y_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;
  HAL_GPIO_Init(LED_Y_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pins : PAPin PAPin */
  GPIO_InitStruct.Pin = KEY1_Pin|KEY2_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PtPin */
  GPIO_InitStruct.Pin = LED_G_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;
  HAL_GPIO_Init(LED_G_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PtPin */
  GPIO_InitStruct.Pin = KEY3_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  HAL_GPIO_Init(KEY3_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PtPin */
  GPIO_InitStruct.Pin = LED_R_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM;
  HAL_GPIO_Init(LED_R_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /* EXTI interrupt init*/
  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI3_IRQn, 0, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI3_IRQn);

  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI9_5_IRQn, 1, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI9_5_IRQn);

  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI15_10_IRQn, 2, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);

}

这几个外部中断都使用了同一个处理函数，HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler，通过传入不同的参数，来区分是哪一条中断线触发的中断。不同的外部中断都调用了同一个HAL库的处理函数：HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler。

我们打开HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler函数
可以看到HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler函数里面又调用了回调函数HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin)
我们再打开HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin)

而在HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler的处理函数中，又调用了一个名为HAL_GPIO_EXTI_Callback的回调函数。此回调函数是用户编写业务逻辑的函数。  在计算机程序设计中，回调函数，或简称回调（Callback 即call then back 被主函数调用运算后会返回主函数），是指通过函数参数传递到其它代码的，某一块可执行代码的引用。这一设计允许了底层代码调用在高层定义的子程序。
我们注意到，在用户重定义的处理函数名称之前，有__Weak标记，这是为什么？在HAL库中采用了一种弱函数机制，在HAL_GPIO_EXTI_Callback函数前有个__weak标记，表明这是个弱函数。弱函数可以被用户定义的同名函数覆盖，也就是说，如果用户定义了一个函数名为HAL_GPIO_EXTI_Callback，系统就不再编译有weak标记的函数，所以，被weak标记的，都是备胎。
__weak在回调函数的时候经常用到。这样的好处是，系统默认定义了一个空的回调函数，保证编译器不会报错。同时，如果用户自己要定义用户回调函数，那么只需要重新定义即可，不需要考虑函数重复定义的问题

在main文件中加入中断服务函数

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  switch(GPIO_Pin)
  {
    case GPIO_PIN_3: 
		{
			HAL_GPIO_TogglePin(led_R_GPIO_Port,led_R_Pin);
		}
		break;
    case GPIO_PIN_6:
		{
			 HAL_GPIO_TogglePin(led_G_GPIO_Port,led_G_Pin);
	
		}
		break;
    case GPIO_PIN_13:
		{
		   HAL_GPIO_TogglePin(led_Y_GPIO_Port,led_Y_Pin);
		}
		break;
    default: break;
  }
}

此代码实现的是每一次按键被按下，LED电平翻转一次。

3、实验结果

烧录

在通电下将boot0置0，然后再次reset后可运行。
因为stm32c8t6没有按键，因此选择使用杜邦线代替开关，每接触一次接地，则产生一次中断。

三、采用串口中断方式发送“Hello windows!”

1、创建工程

RCC和SYS和CLOCK设置如上面一样
下面设置串口USART1，在MODE下选择Asynchronous（异步通信模式）

在该界面下选择NVIC Settings,勾选中断

2、编写用户函数

在 stm32f1xx_hal.c中包含#include

#include 
extern UART_HandleTypeDef huart1;   //声明串口

在 stm32f4xx_hal.c 中重写fget和fput函数

/**
  * 函数功能: 重定向c库函数printf到DEBUG_USARTx
  * 输入参数: 无
  * 返 回 值: 无
  * 说    明：无
  */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}
 
/**
  * 函数功能: 重定向c库函数getchar,scanf到DEBUG_USARTx
  * 输入参数: 无
  * 返 回 值: 无
  * 说    明：无
  */
int fgetc(FILE *f)
{
  uint8_t ch = 0;
  HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);
  return ch;
}

在main.c中添加

 #define RXBUFFERSIZE  256
char RxBuffer[RXBUFFERSIZE]; 

	printf("hello world\n");
			HAL_Delay(1000);

在target勾选Use MicroLIB,需要调用微型库

3. 运行结果

4. UART接收中断

具体流程：
初始化串口
在main中第一次调用接收中断函数
进入接收中断，接收完数据 进入中断回调函数
修改HAL_UART_RxCpltCallback中断回调函数，处理接收的数据，
回调函数中要调用一次HAL_UART_Receive_IT函数，使得程序可以重新触发接收中

代码修改：
在main.c中添加下列定义：

#include 
 
#define RXBUFFERSIZE  256     //最大接收字节数
char RxBuffer[RXBUFFERSIZE];   //接收数据

在main()主函数中，调用一次接收中断函数

	HAL_UART_Receive_IT(&huart1, RxBuffer, 1);

在main.c下方添加中断回调函数

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) 
{
	if(huart->Instance==USART1)
	{	
		HAL_UART_Transmit(&huart1,RxBuffer,1,0xff);
	}
	HAL_UART_Receive_IT(&huart1, RxBuffer, 1); 
}

实验结果：

四、串口DMA接收发数据

1、创建工程

下面我们在CubeMx中配置工程，系统、时钟等跳过
打开USART1及DMA模式

在同一界面下–DMA setting点击Add

选择USART1_RX一栏，配置DMA参数
选择USART1_TX一栏，配置DMA参数

在Pinout&Configuration–Connectivity–USART1–NVIC Settings中打开中断

生成代码

2、修改代码

在mian.c文件中定义一个数组

uint8_t Senbuff[] = "Hello windows！\n";  //定义一个数组，将想要发送的数据放到数组中去中去

在while循环中添加

HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1,Senbuff, sizeof(Senbuff));
   HAL_Delay(1000);

3、实际演示

五、总结

本次实验通过中断到串口DMA通信，我们认识到DMA的出现就是为了解决批量数据的输入/输出问题。DMA是指外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术。这样数据的传送速度就取决于存储器和外设的工作速度。
参考：
【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程三----外部中断(HAL库GPIO讲解)
【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程三----外部中断(HAL库GPIO讲解)
DMA之理解