STM32 DMA 数据搬运实验记录：让 CPU 卸下搬运工的活

平台：STM32F103ZET6 @ 72MHz · 工程名 usart_dma · USART1（PA9=TX / PA10=RX）@ 115200 前置知识：USART 中断接收 + 环形缓冲区 + 协议帧（模块 2） 实验日期：2026-10-04 · 两个实验全部验收通过

一、实验背景：CPU 当搬运工的辛酸

在学习 DMA 之前，我的串口架构是这样的：每来一个字节，硬件敲门（RXNE 中断）→ CPU 放下手头的活 → 进中断 → 从 DR 寄存器搬一个字节进缓冲区 → 返回。115200 波特率连续收数据 = 每秒 11520 次中断，CPU 的日程表被"搬字节"切碎。

发送侧更惨：HAL_UART_Transmit 是阻塞式的——发 420 字节，CPU 在函数里干等约 37ms，一步不能离开。

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）= 芯片里一个独立的数据搬运处理器。它挂在 AHB 总线（主干道）上，能自己访问内存和外设。CPU 是经理，DMA 是搬运工：经理填一张搬运单（源地址、目的地址、数量），搬运工自己搬，搬完敲门汇报。期间经理想干嘛干嘛。

二、DMA 原理要点

搬运单六要素

配置一次 DMA 传输 = 填这张单子：

请求（Request）：搬运的节奏控制器

DMA 不是一口气把数据砸进外设，而是盯着外设的"空了"信号——串口每发完一字节，TXE 标志变空 → 硬件向 DMA 发一个请求 → DMA 搬一字节进 DR。传输速率被外设节流（115200 的节奏），DMA 只是随叫随到。

F1 的通道映射是固定死的

DMA1 有 7 个通道、DMA2 有 5 个，每个通道同一时刻只能服务一个外设，对应关系查参考手册的映射表，不能自由组合：USART1_TX 固定走 DMA1 通道 4、USART1_RX 固定走 DMA1 通道 5。（F4 以后的 Stream/Request 才可以任意组合。）

六问速答

挂哪条总线：AHB（第一个住 AHB 楼层的外设，这是它能"直接访问内存"的结构原因）；门控开关：RCC_AHBENR 的 DMA1EN；两种模式：Normal（搬一批停）和 Circular（循环，流式场景）。

三、实验 4.1：阻塞 vs DMA 当面对决

实验设计（含一次重要的设计修正）

同一个 420 字节的字符串，两种发法，用 CPU 计数器当裁判。

最初的设计是：阻塞发送后打印计数（=0），DMA 发送期间 CPU 数数（=几十万）。但我自己发现了这个设计的漏洞：阻塞版的"计数=0"其实是"压根没人数"，不是"想数但数不动"，没有说服力。

关键洞察：你恰恰没法在阻塞期间加计数——CPU 被关在 HAL_UART_Transmit 函数里出不来，一行计数代码都执行不了，"加不进计数"本身就是"阻塞"的定义。

所以要严谨地展示"CPU 被占死"，得请一个不受阻塞影响的观察者——中断。现成的是 SysTick（每 1ms 中断一次，主循环卡死它照跑），用它计时，主循环计数器量工作量，两个维度一起打印：

char msg[512];
int n = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++)                                   // 填 10 行 ≈ 420 字节
    n += sprintf(&msg[n], "DMA搬运演示第%d行-0123456789ABCDEFG\r\n", i);
while (1)
{
    // ① 阻塞发送：SysTick 计时（中断观察者，主循环卡死它照跑）
    uint32_t t0 = HAL_GetTick();
    cpu_count = 0;                                // 想数数？看看数不数得起来
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)msg, n, 100);
    // 此刻 cpu_count 必然还是 0——CPU 在函数里出不来
    printf(">>> 阻塞发送 %d 字节：耗时 %lu ms，CPU 计数 = %lu（想数也数不了）\r\n\r\n",
           n, (unsigned long)(HAL_GetTick() - t0), (unsigned long)cpu_count);

    HAL_Delay(1000);

    // ② DMA 发送：CPU 扔下地址就走，期间数数
    uint32_t t1 = HAL_GetTick();
    cpu_count = 0;
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, (uint8_t *)msg, n);   // 立即返回！
    while (huart1.gState != HAL_UART_STATE_READY)        // DMA 还在搬
        cpu_count++;                                     // CPU 闲着数圈
    printf(">>> DMA 发送 %d 字节：耗时 %lu ms，CPU 计数 = %lu（全程自由）\r\n\r\n",
           n, (unsigned long)(HAL_GetTick() - t1), (unsigned long)cpu_count);

    HAL_Delay(1000);
}

CubeMX 配置

USART1 → DMA Settings → Add → USART1_TX：Channel=DMA1_Channel4（自动）、Direction=Memory to Peripheral、Mode=Normal、Memory Increment ✅、Peripheral Increment ❌、Data Width=Byte。NVIC 勾 DMA1 channel 4 和 USART1 两个中断。

实测数据与结论

>>> 阻塞发送 420 字节：耗时 38 ms，CPU 计数 = 0（想数也数不了）
>>> DMA 发送 420 字节：耗时 38 ms，CPU 计数 = 101437（全程自由）

两行对比的完整解读：耗时几乎一样（都被 115200 波特率定死——DMA 买不回速度）；差别全在 CPU 计数——DMA 买回的是 CPU 那 38ms 的自由时间。一个维度证"速度没变"，一个维度证"占用天差地别"。

方法论沉淀

要证明"某段代码被卡死"，不能用它自己计数（它数不了），要用不受它影响的观察者（中断/定时器）。以后调试"主循环是不是被某行代码拖死了"，同一招：SysTick 打点前后对比。

四、实验 4.2：DMA 接收 + IDLE 空闲断帧

问题：DMA 只管埋头搬，怎么知道"一帧结束了"？

DMA 接收时字节悄无声息地进缓冲区，CPU 睡着了——谁来叫醒它？答案在 UART 硬件里：IDLE 空闲检测。

IDLE：硬件自带的"断句器"

串口有个天然规律：一帧数据一口气发完（字节间隔 < 1 字符时间），帧与帧之间有静默。UART 硬件的 IDLE 标志：收到数据后总线静默满一个字符时间（115200 下约 87µs），IDLE 置位——这是硬件替你数的"句号"。

AA 55 02 01 01 02 ──────静默 87µs────── 下一帧...
└───────────────┘ └── IDLE 中断! ──┘
 DMA 逐字节默默搬
                  ↑ CPU 只在这里醒一次

整个接收过程：6 个字节 = 0 次中断；帧结束 = 1 次 IDLE 中断——中断数量从"字节数"降到"帧数"，这就是 DMA 高速接收的全部秘密。

不定长的魔法

IDLE 中断里 CPU 醒来后的第一问：这帧多长？DMA 的计数器就是答案：

本次到达字节数 Size = 缓冲区大小 − DMA 剩余计数（CNDTR）

发 6 字节算 6，发 60 字节算 60——不用事先约定长度，来多少算多少，这就是"不定长接收"。HAL 已把这整套打包成 HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA，事件回调直接给算好的 Size。

架构：一帧数据的完整旅程

PC 串口助手(HEX)
   │  AA 55 02 01 01 02
   ▼
PA10(RX) ──► USART1 DR ──► [DMA1_CH5 硬件搬运] ──► rxDmaBuf[0..5]
   │              每字节：RXNE→硬件DMA请求→搬一字节→CNDTR减一（0中断）
   ├────────── 87µs ──────────┐
   ▼                          ▼
静默满 → IDLE 置位 ──► IDLE 中断（每帧仅 1 次）
              │ Size = 64 − CNDTR = 6
              ▼
   HAL_UARTEx_RxEventCallback(huart, Size)
              │
              ▼
   frame_parse(rxDmaBuf, Size)   ← 协议层，与模块2.3一字未改
              │ 五状态机推进
              ▼
   frame_exec：LED 点亮 + ACK 经 DMA 回发
              │
              ▼
   重新武装 ReceiveToIdle_DMA ──► 待命等下一帧

核心代码

// 启动（USER CODE 2）：
HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, rxDmaBuf, RXBUF_SIZE);

// IDLE 事件回调（USER CODE 4）：
void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
    if (huart->Instance == USART1 &&
        huart->RxEventType == HAL_UART_RXEVENT_IDLE) {
        frame_parse(rxDmaBuf, Size);                        // Size=本次字节数(不定长)
        HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(huart, rxDmaBuf, RXBUF_SIZE);  // 重新武装
    }
}

（frame_parse/frame_exec 是模块 2.3 的五状态机解析器原封不动搬过来，仅 ACK 回发从阻塞改成 HAL_UART_Transmit_DMA。）

验收：五连测试（串口助手 HEX 模式）

最有价值的发现：协议层一行没改，五连全过——搬运层从"每字节中断"换装成"DMA 批量"，解析器毫无感觉。分层解耦的活证据：换一层，其他层无感。

与模块 2 的账本对比（每帧 6 字节）

五、踩坑实录：MX_DMA_Init 缺失（本次最值钱的教训）

现象

烧录后串口只打了一轮"阻塞发送…计数=0"+10 行数据，然后永久冻结。用调试器读 CPU 计数变量：单调增长到 840 万、从不归零——程序卡死在 DMA 等待循环里。

诊断链（gdb 符号级调试，全程远程）

根因

CubeMX 给已有工程加 DMA 后重新生成，偶尔不往 main.c 插 MX_DMA_Init() 调用——dma.c 里时钟使能、中断使能都生成得好好的，但没人调用它们，DMA 房间没通电。症状极具迷惑性：编译零错误、HAL_UART_Transmit_DMA 返回 OK、然后永远等不到完成。

修复

main.c 补两处（MX_DMA_Init 必须在 USART 之前——MspInit 要写 DMA 寄存器）：

#include "dma.h"
...
MX_GPIO_Init();
MX_DMA_Init();              // DMA 时钟+中断使能
MX_USART1_UART_Init();

修复后复测：gState = 0x20（READY，正常循环）、cpu_count = 101437（DMA 期间 CPU 自由计数）——复活。

防复发

以后每次 CubeMX 重新生成，git diff 里专门盯一眼 MX_DMA_Init() 还在不在——被吃掉就补回来。

次级知识点

HAL 的 DMA 发送完成走两步：DMA 中断（数据搬完进 DR）→ USART TC 中断（最后一位移出移位寄存器）→ gState=READY。所以 USART1 的 NVIC 也必须勾，只勾 DMA 通道中断不够。

六、调试手法沉淀（本模块新增）

• gdb 符号级读句柄：p/x huart1.gState、p/x huart1.TxXferCount——比猜寄存器位准得多
• NVIC ISER 读中断使能实况：ISER0/ISER1 对照 IRQ 号（DMA1_CH4=14、USART1=37）
• "没通电"的识别：外设寄存器全零 + 配置写入无效 = 时钟没开
• 证明卡死用独立观察者：SysTick/定时器打点，别让被卡死的代码自己数

七、一句话知识点清单

• DMA=独立搬运工：CPU 填单（源/目的/数量/宽度/方向/增量），DMA 搬完敲门
• DMA1/DMA2 挂 AHB，门控 RCC_AHBENR——第一个 AHB 楼层外设
• F1 通道映射固定：USART1_TX=CH4、RX=CH5，查表不可选
• 请求节流：速率被外设定死——DMA 买的是 CPU 自由时间，不是速度
• IDLE=硬件断句器：静默 1 字符时间置位，帧边界的物理本质
• 不定长 Size = 缓冲区大小 − CNDTR
• HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA + RxEventCallback；Normal 模式 IDLE 后必须 re-arm
• DMA TX 完成两步走：DMA 中断 + USART TC 中断——两个 NVIC 都要勾
• MX_DMA_Init 必须在用 DMA 的外设之前调用
• CubeMX 偶发不插 MX_DMA_Init——每次生成 git diff 盯梢
• 分层解耦：搬运层升级，协议层免疫（2.3 解析器零改动上 DMA）
• 证明卡死要用不受影响的观察者（SysTick），不能让卡死者自己数

模块 4 实验记录 · 2026-10-04 · STM32F103ZET6 最小系统板 · 工程名 usart_dma