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串口通信性能优化

news 2025/7/16 5:18:51

背景：

1.一个中型项目，选择的是“软件定时器+状态机”的任务调度方案；
2.其中定时器的时基依赖定时器5的溢出中断，1ms一次（中断优先级最高（0,0））
3.串口中断优先级最高（0，0），//这里有1个坑，待会说
4.串口解析依赖自定义的软件框架（判断\r\n和EVENT_ID,以及查表，具体方法以后再谈）

**

需求：

**
1.客户需要5ms能解析一包，并且连续测试100000次，不丢包。
我设计的是串口解析的任务是1ms触发一次。【从这个角度看似乎没问题，应该能满足要求】

**

问题：

**
1. 5ms一次通信测试，任何指令都可能丢包
2. 5ms一次通信测试，但是关闭软件定时器，把串口解析放到main的死循环里，大多数指令不丢包，只有查表算法的相关指令丢包

**

问题分析

**：
1.软件定时器的定时器中断，冲掉了串口中断【不确定是不是这个原因，但是肯定和中断或调度器有关】
2.查表算法太慢

**

解决方案探索：

**
解决问题当然是先解决底层再解决应用层。
所以，先把中断处理好，再处理算法；
【简单粗暴的方法 处理中断】：把串口中断的优先级 高于 定时器中断//验证结果：似乎不起作用
///经过接近1个小时的排查，发现中断优先级的影响不大，是任务调度耗时导致的问题。
//经过接近两个半小时的排查，发现
任务调度的问题有两个：1）原先的调度方案的核心函数有缺陷
这是原先的调度器核心函数
在这里插入图片描述
这是新的调度器核心函数
在这里插入图片描述

两份调度器核心函数的对比

// softTimer_Update（传统实现）
void softTimer_Update(void) {for (int i = 0; i < TIMER_NUM; i++) {switch (timer[i].state) {case SOFT_TIMER_RUNNING:if (timer[i].match <= tickCnt_Get()) {timer[i].state = SOFT_TIMER_TIMEOUT;timer[i].cb();  // 直接执行回调}break;case SOFT_TIMER_TIMEOUT:if (timer[i].mode == MODE_ONE_SHOT) {timer[i].state = SOFT_TIMER_STOPPED;} else {timer[i].match = tickCnt_Get() + timer[i].period;timer[i].state = SOFT_TIMER_RUNNING;}break;}}
}// softTimer_Update_NonBlocking（优化版）
#define ATOMIC_ENTER()  __disable_irq()
#define ATOMIC_EXIT()   __enable_irq()uint32_t atomic_tickCnt_Get(void);
void softTimer_Update_NonBlocking(void);  // 非阻塞版本
uint32_t atomic_tickCnt_Get(void) {uint32_t val;ATOMIC_ENTER();val = tickCnt;ATOMIC_EXIT();return val;
}
void softTimer_Update_NonBlocking(void) {uint32_t current_tick = atomic_tickCnt_Get();  // 原子读取for (int i = 0; i < TIMER_NUM; i++) {if (timer[i].state == SOFT_TIMER_RUNNING && timer[i].match <= current_tick) {timer[i].state = SOFT_TIMER_TIMEOUT;if (timer[i].cb) timer[i].cb();  // 执行回调// 周期性任务：立即重置，避免漏检if (timer[i].mode == MODE_PERIODIC) {timer[i].match = current_tick + timer[i].period;timer[i].state = SOFT_TIMER_RUNNING;}}}
}

在这里插入图片描述
2）在软件定时器里添加的任务里，串口解析是1ms1次，这个频率对于自定义的调度器来说压力比较大。解决方法是把时间短的任务抽离调度器，直接放到死循环里；
如图：
在User_Creat_Task（)里把，USART_RX_Monitor_Thread（）注释掉；
把USART_RX_Monitor_Thread（）放到main的死循环里
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
经过测试，5ms通信丢包概率明显降低‘，但依然存在（偶发）。
继续分析，出现问题的时候通常是一包数据在接收的数据被打断了，可以新增环形缓冲区应对。

**

接下来是串口空闲中断+DMA接收+环形缓冲区的解决方案：(经过测试：该方案“调整调度器核心函数+中断优先级+环形缓冲区”，可以实现不丢包（5ms）)

调整调度器核心函数+中断优先级 已经在前面说过了；
“串口空闲中断+DMA接收+环形缓冲区”示例代码如下：

USART_APP.h文件声明变量和函数


#define RING_BUF_SIZE 512typedef struct {uint8_t buf[RING_BUF_SIZE];volatile uint16_t head;  // 原子操作或关中断保护volatile uint16_t tail;volatile bool overflow;  // 溢出标志
} RingBuffer;extern RingBuffer uart_rx_ring;
/* USER CODE BEGIN Prototypes */
bool ring_buffer_write(RingBuffer* rb, uint8_t* data, uint16_t len) ;
uint16_t ring_buffer_read(RingBuffer* rb, uint8_t* dest, uint16_t max_len);
void Task_ring_buffer_init();

在USART_APP.c里添加环形缓冲区函数
初始化，写入，读取


// 初始化
void ring_buffer_init(RingBuffer* rb) {rb->head = rb->tail = 0;rb->overflow = false;
}// 安全写入（关中断版）
bool ring_buffer_write(RingBuffer* rb, uint8_t* data, uint16_t len) {uint32_t primask = __get_PRIMASK();__disable_irq();uint16_t free_space = (rb->tail > rb->head) ? (rb->tail - rb->head - 1) : (RING_BUF_SIZE - rb->head + rb->tail - 1);if (len > free_space) {rb->overflow = true;__set_PRIMASK(primask);return false;}uint16_t space_until_wrap = RING_BUF_SIZE - rb->head;uint16_t chunk = (len <= space_until_wrap) ? len : space_until_wrap;memcpy(&rb->buf[rb->head], data, chunk);rb->head = (rb->head + chunk) % RING_BUF_SIZE;if (chunk < len) {memcpy(&rb->buf[rb->head], data + chunk, len - chunk);rb->head = (rb->head + len - chunk) % RING_BUF_SIZE;}__set_PRIMASK(primask);return true;
}// 安全读取
uint16_t ring_buffer_read(RingBuffer* rb, uint8_t* dest, uint16_t max_len) {uint32_t primask = __get_PRIMASK();__disable_irq();uint16_t avail = (rb->head >= rb->tail) ? (rb->head - rb->tail) : (RING_BUF_SIZE - rb->tail + rb->head);uint16_t len = (max_len <= avail) ? max_len : avail;uint16_t space_until_wrap = RING_BUF_SIZE - rb->tail;uint16_t chunk = (len <= space_until_wrap) ? len : space_until_wrap;memcpy(dest, &rb->buf[rb->tail], chunk);rb->tail = (rb->tail + chunk) % RING_BUF_SIZE;if (chunk < len) {memcpy(dest + chunk, &rb->buf[rb->tail], len - chunk);rb->tail = (rb->tail + len - chunk) % RING_BUF_SIZE;}__set_PRIMASK(primask);return len;
}void Task_ring_buffer_init()
{ring_buffer_init(&uart_rx_ring);
}

usart.c
串口DMA接收改为： hdma_usart3_tx.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;

if(uartHandle->Instance==USART3){/* USER CODE BEGIN USART3_MspInit 0 *//* USER CODE END USART3_MspInit 0 *//* USART3 clock enable */__HAL_RCC_USART3_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();/**USART3 GPIO ConfigurationPD8     ------> USART3_TXPD9     ------> USART3_RX*/GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_8;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART3;HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH;GPIO_InitStruct.Alternate = GPIO_AF7_USART3;HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);/* USART3 DMA Init *//* USART3_RX Init */hdma_usart3_rx.Instance = DMA1_Stream1;hdma_usart3_rx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4;hdma_usart3_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;hdma_usart3_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;hdma_usart3_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;hdma_usart3_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;hdma_usart3_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;// hdma_usart3_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL;hdma_usart3_tx.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;hdma_usart3_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;hdma_usart3_rx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;if (HAL_DMA_Init(&hdma_usart3_rx) != HAL_OK){Error_Handler();}__HAL_LINKDMA(uartHandle,hdmarx,hdma_usart3_rx);/* USART3_TX Init */hdma_usart3_tx.Instance = DMA1_Stream3;hdma_usart3_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4;hdma_usart3_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;hdma_usart3_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;hdma_usart3_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;hdma_usart3_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;hdma_usart3_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;hdma_usart3_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;hdma_usart3_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;hdma_usart3_tx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;if (HAL_DMA_Init(&hdma_usart3_tx) != HAL_OK){Error_Handler();}__HAL_LINKDMA(uartHandle,hdmatx,hdma_usart3_tx);/* USART3 interrupt Init */HAL_NVIC_SetPriority(USART3_IRQn, 0, 0);HAL_NVIC_EnableIRQ(USART3_IRQn);/* USER CODE BEGIN USART3_MspInit 1 *//* USER CODE END USART3_MspInit 1 */}

串口解析APP层

void Usart3_Handle()     //USART3对接收的�???帧数据进行处�???
{//旧版丢包逻辑{//  Command_handler(rx3_buffer,rx3_len);//串口指令集解析}//新版子新增环形缓冲区的逻辑{uint16_t len_rx = 0;len_rx = rx3_len;uint8_t data[64];ring_buffer_write(&uart_rx_ring, rx3_buffer, len_rx);len_rx = ring_buffer_read(&uart_rx_ring, data, sizeof(data));Command_handler(data,len_rx);//串口指令集解析}memset(rx3_buffer,0,BUFFER_SIZE);rx3_len = 0;//清除计数rec3_end_flag = 0;//清除接收结束标志�???huart3.RxState = HAL_UART_STATE_READY;HAL_UART_Receive_DMA(&huart3,rx3_buffer,BUFFER_SIZE);//重新打开DMA接收}

**

总结（这个不用看，后来测试发现不行）：

1）中断优先级调整：串口中断要高于定时器中断
2）软件定时器核心函数优化，实现无阻塞切换
3）把实时性高的任务剥离出来，放到main函数的死循环，不放在调度器里
4）串口DMA初始化改为hdma_usart3_tx.Init.Mode = DMA_CIRCULAR; 5）增加环形缓冲区

**

**

注意： 经测试环形缓冲区也不行， 还有其他因素在阻塞！ 经过排查发现，串口发送调用的是HAL_UART_Transmit; 这个接口是阻塞式发送，它会占用CPU！

MCU串口接收数据后要回复，回复用到HAL_UART_Transmit。cpu被阻塞了
**

把串口发送从HAL_UART_Transmit换成HAL_UART_Transmit_DMA后，不再丢包，能承受1ms一次的通信不丢包

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

总结（这个有用！！！！！）：

0)串口空闲中断+DMA 用于接受一包数据
1）中断优先级调整：串口中断要高于定时器中断
2）软件定时器核心函数优化，实现无阻塞切换
3）把实时性高的任务剥离出来，放到main函数的死循环，不放在调度器里
4）把串口发送从HAL_UART_Transmit换成HAL_UART_Transmit_DMA，不占用CPU


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