串口工作在DMA模式下有时接收异常

1 前言

客户反馈在使用STM32F205的串口工作在DMA模式时，有时能够接收数据，有时完全没有数据，但如果换成中断模式来接收又能100%正常收到数据。

2 复现现象

2.1 问题背景

与客户沟通，客户使用的是STM32F2标准库V1.1.0，串口波特率为1.408Mbps，不经过串口RS232，直接连接主CPU和从MCU(STM32F205)的串口发送和接收引脚，如下图所示： 

 

2.2 尝试重现问题

由于客户使用的是主从架构，实验采用两块STM3220G-EVAL评估板来重现现象。一块用来不间断发送串口数据，另一块采用串口DMA进行接收，直接通过杜邦线连接串口PIN脚并共地，不使用评估板上的RS232收发器。接收端使用STM32F2xx_StdPeriph_Examples\ USART\USART_TwoBoards的示例代码。代码片段如下：

int main(void)
{
  ...
  USART_Config();
  ...  while (1)
  {
    /* Clear Buffers */
    Fill_Buffer(RxBuffer, TXBUFFERSIZE);
    Fill_Buffer(CmdBuffer, 2);

    DMA_DeInit(USARTx_RX_DMA_STREAM);
    DMA_InitStructure.DMA_Channel = USARTx_RX_DMA_CHANNEL;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;
    /************* USART will receive the the transaction data ****************/
    /* Transaction data (length defined by CmdBuffer[1] variable) */       
    DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t)RxBuffer;
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize =10;// (uint16_t)CmdBuffer[1];
    DMA_InitStructure.DMA_Mode =DMA_Mode_Normal;//DMA_Mode_Circular;
    DMA_Init(USARTx_RX_DMA_STREAM, &DMA_InitStructure);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Stream1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); 
    /* Enable DMA Stream Transfer Complete interrupt */
    DMA_ITConfig(USARTx_RX_DMA_STREAM, DMA_IT_TE|DMA_IT_DME|DMA_IT_FE, ENABLE);

    /* Enable the DMA Stream */
    DMA_Cmd(USARTx_RX_DMA_STREAM, ENABLE);
    /* Enable the USART Rx DMA requests */
    USART_DMACmd(USARTx, USART_DMAReq_Rx , ENABLE);//  USART_Cmd(USARTx, ENABLE);//  while(SET ==USART_GetFlagStatus(USARTx,USART_FLAG_ORE))
//  {
//    Tmp =USART_ReceiveData(USARTx);//  }    while ((DMA_GetFlagStatus(USARTx_RX_DMA_STREAM, USARTx_RX_DMA_FLAG_TCIF) ==     RESET)
    {
    }   
    /* Clear all DMA Streams flags */
    DMA_ClearFlag(USARTx_RX_DMA_STREAM, USARTx_RX_DMA_FLAG_HTIF | USARTx_RX_DMA_FLAG_TCIF);

    /* Disable the DMA Stream */
    DMA_Cmd(USARTx_RX_DMA_STREAM, DISABLE);

    /* Disable the USART Rx DMA requests */
    USART_DMACmd(USARTx, USART_DMAReq_Rx, DISABLE);//handle the RxBuffer data...
    //...
  }
}123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657

USART_Config()函数如下：

static void USART_Config(void)
{
  USART_InitTypeDef USART_InitStructure;
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

  /* Peripheral Clock Enable -------------------------------------------------*/
  /* Enable GPIO clock */
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(USARTx_TX_GPIO_CLK | USARTx_RX_GPIO_CLK, ENABLE);

  /* Enable USART clock */
  USARTx_CLK_INIT(USARTx_CLK, ENABLE);

  /* Enable the DMA clock */
  RCC_AHB1PeriphClockCmd(USARTx_DMAx_CLK, ENABLE);

  /* USARTx GPIO configuration -----------------------------------------------*/ 
  /* Connect USART pins to AF7 */
  GPIO_PinAFConfig(USARTx_TX_GPIO_PORT, USARTx_TX_SOURCE, USARTx_TX_AF);
  GPIO_PinAFConfig(USARTx_RX_GPIO_PORT, USARTx_RX_SOURCE, USARTx_RX_AF);

  /* Configure USART Tx and Rx as alternate function push-pull */
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
  GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
  GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USARTx_TX_PIN;
  GPIO_Init(USARTx_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USARTx_RX_PIN;
  GPIO_Init(USARTx_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);

  /* USARTx configuration ----------------------------------------------------*/
  /* Enable the USART OverSampling by 8 */
  USART_OverSampling8Cmd(USARTx, ENABLE); 

  USART_InitStructure.USART_BaudRate = 1408000;//3750000;
  USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;
  USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;
  /* When using Parity the word length must be configured to 9 bits */
  USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;
  USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;
  USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;
  USART_Init(USARTx, &USART_InitStructure);

  /* Configure DMA controller to manage USART TX and RX DMA request ----------*/  
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = USARTx_DR_ADDRESS;
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
  DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;
  DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_VeryHigh;
  DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Enable;
  DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_Full;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;
  /* Here only the unchanged parameters of the DMA initialization structure are
     configured. During the program operation, the DMA will be configured with 
     different parameters according to the operation phase */

  /* Enable USART */
  USART_Cmd(USARTx, ENABLE);}12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364651234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575859606162636465

按如上代码，有如下现象： 
1. 代码不做修改，若先启动接收端MCU再启动发送端MCU，接收端MCU的串口能正常接收。 
2. 代码不做修改，若先启动发送端MCU再启动接收端MCU，接收端MCU的串口100%接收异常。 
3. 修改发送端代码，改为发送端MCU串口每1秒间隔发送一次，则无论启动顺序如何，接收端MCU的串口都能正常。

3 程序分析

由上述代码可知，程序是先在USART_Config()函数函数内初始化串口并使能，然后再在接下来的main函数的while循环内初始化DMA并使能。这个是标准库内附带的示例代码，咋一看没什么问题，但仔细一想，针对用户的使用场景，这里就会产生一个问题：由于用户的主CPU有可能在从MCU启动之前就已经有可能启动，那么在这种情况下，在初始化完串口并使能后，到DMA使能之前这段时间内，若主CPU向从MCU发送串口数据，从MCU是否能正确接收？

从上述测试代码的结果2可以得出，若在串口初始化并使能后到DMA使能之前有数据来，MCU是不能接收的，经进一步调试，发现此时数据寄存器USART_DR存在一个数据，且在状态寄存器USART_SR中ORE值1，由此可知，串口的接收寄存器中已经接收到一个数据，但是后面的数据又来了，由于数据寄存器中的数据没有及时转移走（此时DMA还没有开启），从而导致后面的数据无法存入，所以产生了上溢错误（ORE），而一旦产生上溢错误后，就无法再触发DAM请求，及时之后再启动DMA也不行，无法触发DMA请求就无法将数据寄存器内的数据及时转移走，如此陷入死锁，这就是串口无法正常接收的原因。这时反观一下代码的结果3，这又将做如何解释？

仔细查看测试结果3，发现这个发送端每1秒间隔发送一次，那么就会存在这个一个概率，这个发送的时间点是否刚好在接收端MCU的串口初始化并使能和DMA使能之间还是之后，这个时间窗口非常关键，如果刚好在时间窗，那么串口接收就不正常，如果在这个时间窗之后，串口接收就能正常。由于测试代码采用的是1秒间隔，对于MCU来说这个是非常大的时间长度，还是很小概率能碰中这个时间窗的，因此，测试结果看起来是都能正常，实际严格来说，还是存在刚好碰中的可能。如果间隔时间缩短，那个碰中的几率就增大。由此看来，这也就能解释测试结果3了，也能解释客户提到的有时正常有时不正常的现象了。

4 问题处理

处理有两种方法，第一种方法是在使能DMA后，及时将数据寄存器DR中的数据清除掉，如下代码所示：

//.../* Enable the DMA Stream */
    DMA_Cmd(USARTx_RX_DMA_STREAM, ENABLE);
    /* Enable the USART Rx DMA requests */
    USART_DMACmd(USARTx, USART_DMAReq_Rx , ENABLE);  while(SET ==USART_GetFlagStatus(USARTx,USART_FLAG_ORE))
  {
    Tmp =USART_ReceiveData(USARTx);
  }
  //...123456789101112123456789101112

这里是使用读DR的方法来清除的，从参考手册中也提到使用这种方法来清除ORE标志： 

第一种方法类似于一种纠错措施，下面介绍另一种推荐的方法，如下代码所示：

//.../* Enable the DMA Stream */
    DMA_Cmd(USARTx_RX_DMA_STREAM, ENABLE);
    /* Enable the USART Rx DMA requests */
    USART_DMACmd(USARTx, USART_DMAReq_Rx , ENABLE);

  USART_Cmd(USARTx, ENABLE);
  //...123456789123456789

如上所示，可以先使能DMA再使能串口，这样就彻底不存在那个时间窗了，不管数据何时过来能能被DAM及时转走。这个是推荐的解决方法。

5 结论

标准库中的示例代码一般来说只供参考，对于大部分情况来说都是能正常工作的，但偶尔也会出现不适用的情况，此时更需要我们针对问题进行思考分析，进一步找到原因才能解决问题。对于串口使用DMA来接收的情况，这里建议一定要先使能DMA，最后使能串口，这样就能避免类似问题出现了。