用 DMA 环形缓冲区实现 UART 不定长帧接收：精准处理半满中断与空闲中断的竞争

一、背景与挑战

在 STM32 等 MCU 上，UART 接收不定长帧时，常见方案是 DMA + 环形缓冲区。DMA 负责将数据从外设搬运到内存，CPU 通过中断感知数据到达。但 DMA 的半满中断（Half Transfer）和 UART 的空闲中断（IDLE）可能同时发生，若处理不当，会导致数据重复读取、丢失或帧错位。

二、原理剖析

1. DMA 半满中断与传输完成中断

当 DMA 配置为循环模式（Circular Mode）时，缓冲区被分为两半：上半区和下半区。
半满中断（HT）在 DMA 传输到缓冲区中点时触发，传输完成中断（TC）在传输到缓冲区末尾时触发。
这两个中断用于通知 CPU 可以安全处理已接收的数据，而不会与 DMA 写入冲突。

2. UART 空闲中断

空闲中断在 UART 接收线上检测到空闲（即无数据）时触发，通常用于判断一帧数据结束。
空闲中断与 DMA 配合时，CPU 需要从 DMA 缓冲区中读取当前已接收的数据，但此时 DMA 可能仍在写入。

3. 竞争场景

假设缓冲区大小为 256 字节，DMA 循环模式。

场景 A：接收数据长度超过 128 字节，DMA 触发半满中断，CPU 处理上半区数据。此时若数据流短暂停顿，UART 触发空闲中断，CPU 又去处理整个缓冲区，导致上半区数据被重复处理。
场景 B：接收数据长度小于 128 字节，DMA 未触发半满中断，空闲中断触发，CPU 需要读取当前 DMA 位置之前的数据，但 DMA 可能正在写入，导致读取不一致。

三、处理策略

核心思想：用状态机管理缓冲区读写位置，并利用 DMA 的当前数据指针（NDTR）来精确计算有效数据长度。

1. 缓冲区设计

定义环形缓冲区，使用两个指针：读指针（CPU 使用）和写指针（DMA 更新）。
在 DMA 中断（HT/TC）中更新写指针，在空闲中断中根据当前 DMA 位置更新写指针并触发帧处理。

2. 中断优先级与嵌套

将 DMA 中断优先级设为高于 UART 空闲中断，确保 DMA 中断能及时处理，避免数据覆盖。
在空闲中断中，先关闭 DMA 中断（或暂停 DMA），再读取数据，处理完后再恢复。

3. 状态机实现

定义以下状态：

IDLE：等待数据。
RECEIVING：正在接收数据。
FRAME_READY：一帧数据完整，待处理。

在中断中更新状态，在主循环中处理帧数据。

四、代码实现（基于 STM32 HAL 库）

1. 配置 DMA 和 UART

// 缓冲区定义
#define BUFFER_SIZE 256
uint8_t dma_buffer[BUFFER_SIZE];

// 环形缓冲区结构
typedef struct {
    uint16_t head;  // 读指针
    uint16_t tail;  // 写指针（由中断更新）
    uint8_t buffer[BUFFER_SIZE];
} ring_buffer_t;

ring_buffer_t rx_ring;

// 初始化 DMA 接收
void uart_dma_init(void) {
    // 使能 UART 空闲中断
    __HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE);
    // 启动 DMA 循环接收
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, dma_buffer, BUFFER_SIZE);
    // 初始化环形缓冲区
    rx_ring.head = 0;
    rx_ring.tail = 0;
}

2. DMA 中断处理（半满和完成）

void DMA1_Channel5_IRQHandler(void) {
    if (__HAL_DMA_GET_FLAG(&hdma_usart1_rx, DMA_FLAG_HT)) {
        __HAL_DMA_CLEAR_FLAG(&hdma_usart1_rx, DMA_FLAG_HT);
        // 更新写指针到缓冲区中点
        rx_ring.tail = BUFFER_SIZE / 2;
        // 处理上半区数据
        process_data(0, BUFFER_SIZE / 2);
    }
    if (__HAL_DMA_GET_FLAG(&hdma_usart1_rx, DMA_FLAG_TC)) {
        __HAL_DMA_CLEAR_FLAG(&hdma_usart1_rx, DMA_FLAG_TC);
        // 更新写指针到缓冲区末尾
        rx_ring.tail = BUFFER_SIZE;
        // 处理下半区数据
        process_data(BUFFER_SIZE / 2, BUFFER_SIZE / 2);
    }
}

3. UART 空闲中断处理

void USART1_IRQHandler(void) {
    if (__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE)) {
        __HAL_UART_CLEAR_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE);
        // 暂停 DMA，防止写入冲突
        HAL_DMA_Abort(&hdma_usart1_rx);
        // 获取当前 DMA 剩余计数
        uint16_t remaining = __HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart1_rx);
        uint16_t current_pos = BUFFER_SIZE - remaining;
        // 更新写指针到当前位置
        rx_ring.tail = current_pos;
        // 处理从上次读指针到当前写指针的数据
        process_data(rx_ring.head, (rx_ring.tail - rx_ring.head + BUFFER_SIZE) % BUFFER_SIZE);
        // 重新启动 DMA 接收
        HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, dma_buffer, BUFFER_SIZE);
        // 重置读指针
        rx_ring.head = rx_ring.tail;
    }
}

4. 数据解析函数

void process_data(uint16_t start, uint16_t len) {
    // 从环形缓冲区中读取数据，进行帧解析
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        uint8_t byte = dma_buffer[(start + i) % BUFFER_SIZE];
        // 处理字节，例如存入帧缓冲区
    }
    // 更新读指针
    rx_ring.head = (rx_ring.head + len) % BUFFER_SIZE;
}

五、注意事项

缓冲区大小：应大于最大帧长，且为 2 的幂次方，便于取模运算。
临界区保护：在中断中更新 rx_ring.tail 时，主循环可能正在读取，需使用临界区或原子操作。
DMA 暂停与恢复：在空闲中断中暂停 DMA 后，必须确保在重新启动前，DMA 已经完全停止，否则可能丢失数据。
半满中断与空闲中断同时触发：若两者同时发生，先处理半满中断（更新 tail），再处理空闲中断（根据当前 DMA 位置更新 tail），避免重复处理。
测试验证：使用不同长度的数据帧（小于半满、等于半满、大于半满）进行压力测试，确保逻辑正确。

六、总结

通过合理设计环形缓冲区、利用 DMA 的 HT/TC 中断和 UART 空闲中断，并采用状态机管理，可以有效解决半满中断与空闲中断的竞争问题。关键在于精确控制读写指针，并确保在中断处理中数据的一致性。此方案适用于大部分嵌入式平台，具有较高的可靠性和实时性。

UART 不定长帧接收：DMA 环形缓冲区中半满中断与空闲中断的竞争处理