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【经验分享】增加 UART 接口应用时的异常分析

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STMCU小助手 发布时间：2022-2-15 19:10
前言
Cube 软件包的提供，极大的降低了开发难度。使用者在开发的过程中，只需参考 Cube 包中提供的例程就能快速的实现对应功能开发。开发者为了快速开发 UART 功能，参考 Cube 包中的 UART 例程，并根据应用情况，扩展了另一组 UART 接口。但是在应用过程中，发现两路 UART 不能共存。本文分析了这种情况出现的原因。

背景介绍
在 Cube 软件包中 CDC 例程实现了虚拟串口通信功能，数据传输链路如下图所示。

E3(XK0WP6`JLCD1F4P0C]AO.png

在开发者的应用中，需要实现下图数据传输链路。根据应用用需求，推荐参考 Cube 软件包中的 USBCDC 例程。

1[}R0TH`AP9W2MJVY`TK`2W.png


问题描述
问题复现平台： STM324xG-Eval
例程路径：
STM32Cube_FW_F4_V1.15.0\Projects\STM324xG_EVAL\Applications\USB_Device\CDC_Standalone


在对 CDC 例程了解后，参考已有的 UART 应用，新增了一路 UART。对应初始化程序如下所示。其中USARTx 为例程原有部分，而 USARTy 为新增的一路 UART 初始化部分。
  1. void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
  2. {
  3. static DMA_HandleTypeDef hdma_tx;
  4. GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

  6. if(huart->Instance == USARTx )
  7. {
  8. /*##-1- Enable peripherals and GPIO Clocks #################################*/
  9. /* Enable GPIO clock */
  10. USARTx_TX_GPIO_CLK_ENABLE();
  11. USARTx_RX_GPIO_CLK_ENABLE();
  12. /* Enable USARTx clock */
  13. USARTx_CLK_ENABLE();
  14. /* Enable DMAx clock */
  15. DMAx_CLK_ENABLE();

  17. /*##-2- Configure peripheral GPIO ##########################################*/
  18. /* UART TX GPIO pin configuration */
  19. GPIO_InitStruct.Pin = USARTx_TX_PIN;
  20. GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
  21. GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  22. GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FAST;
  23. GPIO_InitStruct.Alternate = USARTx_TX_AF;

  25. HAL_GPIO_Init(USARTx_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

  27. /* UART RX GPIO pin configuration */
  28. GPIO_InitStruct.Pin = USARTx_RX_PIN;
  29. GPIO_InitStruct.Alternate = USARTx_RX_AF;

  31. HAL_GPIO_Init(USARTx_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

  33. /*##-3- Configure the NVIC for UART ########################################*/
  34. HAL_NVIC_SetPriority(USARTx_IRQn, 5, 0);
  35. HAL_NVIC_EnableIRQ(USARTx_IRQn);

  37. /*##-4- Configure the DMA streams ##########################################*/
  38. /* Configure the DMA handler for Transmission process */
  39. hdma_tx.Instance = USARTx_TX_DMA_STREAM;

  41. hdma_tx.Init.Channel = USARTx_TX_DMA_CHANNEL;
  42. hdma_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
  43. hdma_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
  44. hdma_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
  45. hdma_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
  46. hdma_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
  47. hdma_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
  48. hdma_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
  49. hdma_tx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;
  50. hdma_tx.Init.FIFOThreshold = DMA_FIFO_THRESHOLD_FULL;
  51. hdma_tx.Init.MemBurst = DMA_MBURST_INC4;
  52. hdma_tx.Init.PeriphBurst = DMA_PBURST_INC4;

  54. HAL_DMA_Init(&hdma_tx);

  56. /* Associate the initialized DMA handle to the UART handle */
  57. __HAL_LINKDMA(huart, hdmatx, hdma_tx);

  59. /*##-5- Configure the NVIC for DMA #########################################*/
  60. /* NVIC configuration for DMA transfer complete interrupt (USARTx_TX) */
  61. HAL_NVIC_SetPriority(USARTx_DMA_TX_IRQn, 6, 0);
  62. HAL_NVIC_EnableIRQ(USARTx_DMA_TX_IRQn);

  64. }
  65. if(huart->Instance == USARTy )
  66. {
  67. /*##-1- Enable peripherals and GPIO Clocks #################################*/
  68. /* Enable GPIO clock */
  69. USARTy_TX_GPIO_CLK_ENABLE();
  70. USARTy_RX_GPIO_CLK_ENABLE();
  71. /* Enable USARTx clock */
  72. USARTy_CLK_ENABLE();
  73. /* Enable DMAx clock */
  74. DMAy_CLK_ENABLE();

  76. /*##-2- Configure peripheral GPIO ##########################################*/
  77. /* UART TX GPIO pin configuration */
  78. GPIO_InitStruct.Pin = USARTy_TX_PIN;
  79. GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
  80. GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
  81. GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FAST;
  82. GPIO_InitStruct.Alternate = USARTy_TX_AF;

  84. HAL_GPIO_Init(USARTy_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

  86. /* UART RX GPIO pin configuration */
  87. GPIO_InitStruct.Pin = USARTy_RX_PIN;
  88. GPIO_InitStruct.Alternate = USARTy_RX_AF;

  90. HAL_GPIO_Init(USARTy_RX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

  92. /*##-3- Configure the NVIC for UART ########################################*/
  93. HAL_NVIC_SetPriority(USARTy_IRQn, 7, 0);
  94. HAL_NVIC_EnableIRQ(USARTy_IRQn);

  96. /*##-4- Configure the DMA streams ##########################################*/
  97. /* Configure the DMA handler for Transmission process */
  98. hdma_tx.Instance = USARTy_TX_DMA_STREAM;

  100. hdma_tx.Init.Channel = USARTy_TX_DMA_CHANNEL;
  101. hdma_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
  102. hdma_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
  103. hdma_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
  104. hdma_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
  105. hdma_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
  106. hdma_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
  107. hdma_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
  108. hdma_tx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;
  109. hdma_tx.Init.FIFOThreshold = DMA_FIFO_THRESHOLD_FULL;
  110. hdma_tx.Init.MemBurst = DMA_MBURST_INC4;
  111. hdma_tx.Init.PeriphBurst = DMA_PBURST_INC4;

  113. HAL_DMA_Init(&hdma_tx);

  115. /* Associate the initialized DMA handle to the UART handle */
  116. __HAL_LINKDMA(huart, hdmatx, hdma_tx);

  118. /*##-5- Configure the NVIC for DMA #########################################*/
  119. /* NVIC configuration for DMA transfer complete interrupt (USARTx_TX) */
  120. HAL_NVIC_SetPriority(USARTy_DMA_TX_IRQn, 8, 0);
  121. HAL_NVIC_EnableIRQ(USARTy_DMA_TX_IRQn);
  122. }
  123. …
  124. }
复制代码

在之前的 UART 发送和接收处，同样新增了一路 UART 的发送和接收。为了方便描述，这里不对应用层面进行描述。而是直接在例程中，时钟配置后执行下述语句，复现问题。
  1. #ifdef USART_X_INIT_ENABLE
  2. UartHandle.Instance = USARTx;
  3. …
  4. if(HAL_UART_Init(&UartHandle) != HAL_OK)
  5. …
  6. if(HAL_UART_Receive_IT(&UartHandle, (uint8_t *)UserTxBuffer, 1) != HAL_OK)
  7. …
  8. #endif // USART_X_INIT_ENABLE
  9. #ifdef USART_Y_INIT_ENABLE
  10. UartHandley.Instance = USARTy;
  11. …
  12. if(HAL_UART_Init(&UartHandley) != HAL_OK)
  13. …
  14. if(HAL_UART_Receive_IT(&UartHandley, (uint8_t *)UserTxBuffer, 1) != HAL_OK)
  15. …
  16. #endif //USART_Y_INIT_ENABLE
  17. while(1)
  18. {
  19. #ifdef USART_X_ENABLE
  20. HAL_UART_Transmit_DMA(&UartHandle, “UARTx Test”, 11);
  21. #endif //USART_X_ENABLE
  22. #ifdef USART_Y_ENABLE
  23. HAL_UART_Transmit_DMA(&UartHandley,”UARTy Test”, 11);
  24. #endif // USART_Y_ENABLE
  25. HAL_Delay(100);
  26. }
复制代码

结果如下表。


4{R42ABKOXEI0O6(0$%T9AA.png


问题分析
不同 UART 接口相互独立。UART IP 设计上，不同 UART 同时发送不会相互影响。初步判断应该是UART 初始化过程中，存在冲突。
通过对结果分析，在 UARTx 和 UARTy 都进行初始化后，只执行 UARTx DMA 发送时，执行异常；只执行 UARTy DMA 发送时，执行正常。而在初始化中，UARTx 先于 UARTy 初始化，进一步确认是初始化时，存在冲突。并且将问题范围缩小到 HAL_UART_MspInit()函数中。
在线调试，发现在执行 UARTy 初始化时（UARTx 已经在之前初始化结束），UARTx 发送 DMA 对应的 Instant 和 Channel 值都被改变。其中 Instant 中保存着对应 DMA 的寄存器基地址。
仔细检查 HAL_UART_MspInit()函数，发现对于 DMA 的初试化，两个 UART 共用了例程中原有的DMA 句柄变量，为上述程序中的 static DMA_HandleTypeDef hdma_tx;
而在 HAL_UART_Transmit_DMA 函数中，会对对应的 DMA 进行配置并使能，而配置过程会依据DMA 句柄中的参数。从而导致发送异常。
对问题的产生原因清楚后，在新增 UART 接口的时候，初始化函数 HAL_UART_MspInit()中同样需要新增 DMA 句柄变量，并利用在新增 UART 的 DMA 初始化中。如下所示。
  1. void HAL_UART_MspInit(UART_HandleTypeDef *huart)
  2. {
  3. static DMA_HandleTypeDef hdma_tx;
  4. static DMA_HandleTypeDef hdma_tx_y;
  5. …
  6. if(huart->Instance == USARTy )
  7. {
  8. …
  9. hdma_tx_y.Instance = USARTy_TX_DMA_STREAM;
  10. hdma_tx_y.Init.Channel = USARTy_TX_DMA_CHANNEL;
  11. hdma_tx_y.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
  12. hdma_tx_y.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
  13. hdma_tx_y.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
  14. hdma_tx_y.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
  15. hdma_tx_y.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
  16. hdma_tx_y.Init.Mode = DMA_NORMAL;
  17. hdma_tx_y.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;
  18. hdma_tx_y.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;
  19. hdma_tx_y.Init.FIFOThreshold = DMA_FIFO_THRESHOLD_FULL;
  20. hdma_tx_y.Init.MemBurst = DMA_MBURST_INC4;
  21. hdma_tx_y.Init.PeriphBurst = DMA_PBURST_INC4;
  22. HAL_DMA_Init(&hdma_tx_y);
  23. /* Associate the initialized DMA handle to the UART handle */
  24. __HAL_LINKDMA(huart, hdmatx, hdma_tx_y);
  25. …
  26. }
复制代码


总结
所描述的问题，可以归结为一个开发漏洞。而导致这个开发漏洞的原因，更多的可能是在参考 Cube 例程时，对于各函数的了解以及变量的使用情况，没有逐个了解。建议在基于 Cube 例程进行开发时，能够对各函数及变量等加以了解，在针对应用进行修改过程中，能够减小错误率，从而减少排错时间。

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