STM32F103 HAL多实例通用USART驱动 - 高效DMA+RingBuffer方案，量产级工程模板

导言

《STM32F103_LL库+寄存器学习笔记12.2 - 串口DMA高效收发实战2：进一步提高串口接收的效率》前阵子完成的LL库与寄存器版本的代码，有一个明显的缺点是不支持多实例化。最近，计划基于HAL库系统地梳理一遍bootloader程序开发。在bootloader程序开发项目里，需要用到HAL库的串口驱动代码。所以，继续把代码优化优化，将多实例化模块做出来。

bsp_usart_hal 驱动代码特点总结：

  1. 支持多实例通用管理

    • 设计为USART_Driver_t结构体+接口函数，支持多个USART端口同时独立驱动，便于单板多串口应用、项目横向复用、一套代码多项目。
    • 各实例参数（缓冲区、DMA句柄、UART句柄）解耦，代码维护简便。

  2. DMA收发全流程、双缓冲高效传输

    • 接收采用DMA环形模式，支持半传输（HT）、全传输（TC）、IDLE三类中断协同搬运，保证任意长度数据不丢包、无粘包。
    • 发送采用DMA块传输，自动调度RingBuffer队列，避免CPU阻塞。
    • 收发均使用DMA，极大减轻CPU负担，适用于高带宽、高实时性场景。

  3. RingBuffer无缝缓存机制

    • 内置收发双向RingBuffer，自动管理协议包拼接、数据缓冲，简化上层协议处理。
    • 支持超大缓冲、溢出自动覆盖或丢弃旧数据，易于移植第三方协议栈。

  4. 健壮的错误统计与自恢复机制

    • 内置DMA传输错误、串口硬件错误等统计计数（errorDMATX/errorDMARX/errorRX），便于产线异常监控、后期故障溯源。
    • 检测到DMA错误时，自动执行自恢复：自动重启DMA、自动清理异常、可定制连续多次异常的告警或自动复位，保障系统长期稳定运行。

  5. 工程化量产导向

    • 代码结构清晰、注释标准，适用于量产项目长期维护。
    • CubeMX工程直接集成，无需魔改HAL库代码。
    • 支持多串口、多DMA。

测试效果如下，接收与发送都没有丢包。
在这里插入图片描述
项目地址：
github: https://github.com/q164129345/MCU_Develop/tree/main/stm32f103_hal_usart_dma_ringbuffer
gitee(国内): https://gitee.com/wallace89/MCU_Develop/tree/main/stm32f103_hal_usart_dma_ringbuffer

一、CubeMX

1.1、Clock Configuration

在这里插入图片描述

1.2、USART1

在这里插入图片描述
波特率115200，数据长度8bits，停止位长度1bit。
在这里插入图片描述
使能USART1全局中断。
在这里插入图片描述
USART1_RX的DMA接收模式一定要选择“Circular”模式，长度选择Byte（字节） = 8bits。
在这里插入图片描述
USART1_RX的DMA发送模式一定要选择“Normal”模式，长度选择Byte（字节） = 8bits。
在这里插入图片描述
GPIO Setting的设置如上所示。

二、代码

2.1、bsp_usart_hal.h

/*** @file    bsp_usart_hal.h* @brief   STM32F1系列 USART + DMA + RingBuffer HAL库底层驱动接口（多实例、可变缓冲区）* @author  Wallace.zhang* @version 2.0.0* @date    2025-05-23*/
#ifndef __BSP_USART_HAL_H
#define __BSP_USART_HAL_H#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "dma.h"
#include "lwrb/lwrb.h"/*** @brief USART驱动结构体（DMA + RingBuffer + 统计）*/
typedef struct
{volatile uint8_t   txDMABusy;        /**< DMA发送忙标志（1：发送中，0：空闲） */volatile uint64_t  rxMsgCount;       /**< 统计接收字节总数 */volatile uint64_t  txMsgCount;       /**< 统计发送字节总数 */volatile uint16_t  dmaRxLastPos;     /**< DMA接收缓冲区上次处理到的位置 */volatile uint32_t  errorDMATX;       /**< DMA发送错误统计 */volatile uint32_t  errorDMARX;       /**< DMA接收错误统计 */volatile uint32_t  errorRX;          /**< 串口接收错误统计 */DMA_HandleTypeDef   *hdma_rx;        /**< HAL库的DMA RX句柄 */DMA_HandleTypeDef   *hdma_tx;        /**< HAL库的DMA TX句柄 */UART_HandleTypeDef  *huart;          /**< HAL库的UART句柄 *//* RX方向 */uint8_t             *rxDMABuffer;    /**< DMA接收缓冲区 */uint8_t             *rxRBBuffer;     /**< 接收RingBuffer缓存区 */uint16_t            rxBufSize;       /**< DMA接收/RX Ringbuffer缓冲区大小 */lwrb_t              rxRB;            /**< 接收RingBuffer句柄 *//* TX方向 */uint8_t             *txDMABuffer;    /**< DMA发送缓冲区 */uint8_t             *txRBBuffer;     /**< 发送RingBuffer缓存区 */uint16_t            txBufSize;       /**< DMA发送/TX Ringbuffer缓冲区大小 */lwrb_t              txRB;            /**< 发送RingBuffer句柄 */} USART_Driver_t;/*** @brief  阻塞方式发送以 NUL 结尾的字符串*/
void USART_SendString_Blocking(USART_Driver_t* const usart, const char* str);
/*** @brief  USART发送DMA中断处理函数*/
void USART_DMA_TX_Interrupt_Handler(USART_Driver_t *usart);
/*** @brief  USART接收DMA中断处理函数*/
void USART_DMA_RX_Interrupt_Handler(USART_Driver_t *usart);
/*** @brief  USART空闲接收中断处理函数（支持DMA+RingBuffer，适用于多实例）*/
void USART_RX_IDLE_Interrupt_Handler(USART_Driver_t *usart);
/*** @brief  将数据写入指定USART驱动的发送 RingBuffer中*/
uint8_t USART_Put_TxData_To_Ringbuffer(USART_Driver_t *usart, const void* data, uint16_t len);
/*** @brief  USART模块定时任务处理函数，建议主循环1ms周期回调*/
void USART_Module_Run(USART_Driver_t *usart);
/*** @brief  获取USART接收RingBuffer中的可读字节数*/
uint32_t USART_Get_The_Existing_Amount_Of_Data(USART_Driver_t *usart);
/*** @brief  从USART接收RingBuffer中读取一个字节数据*/
uint8_t USART_Take_A_Piece_Of_Data(USART_Driver_t *usart, uint8_t* data);
/*** @brief  DMA传输错误后的自动恢复操作（含错误统计）*/
void USART_DMA_Error_Recover(USART_Driver_t *usart, uint8_t dir);
/*** @brief   初始化USART驱动，配置DMA、RingBuffer与中断*/
void USART_Config(USART_Driver_t *usart,uint8_t *rxDMABuffer, uint8_t *rxRBBuffer, uint16_t rxBufSize,uint8_t *txDMABuffer, uint8_t *txRBBuffer, uint16_t txBufSize);#ifdef __cplusplus
}
#endif#endif /* __BSP_USART_HAL_H */

2.2、bsp_usart_hal.c

/*** @file    bsp_usart_hal.c* @brief   STM32F1系列 USART + DMA + RingBuffer HAL库底层驱动实现（多实例、可变缓冲区）* @author  Wallace.zhang* @version 2.0.0* @date    2025-05-23*/#include "bsp_usart_hal.h"/*** @brief   阻塞方式发送以NUL结尾字符串（调试用，非DMA）* @param   usart  指向USART驱动结构体的指针* @param   str    指向以'\0'结尾的字符串* @note    通过HAL库API逐字节发送，底层会轮询TXE位（USART_SR.TXE）。* @retval  无*/
void USART_SendString_Blocking(USART_Driver_t* usart, const char* str)
{if (!usart || !str) return;HAL_UART_Transmit(usart->huart, (uint8_t*)str, strlen(str), 1000);
}/*** @brief  配置并启动USART的DMA接收（环形模式）* @param  usart 指向USART驱动结构体的指针* @note   必须保证huart、hdma_rx已通过CubeMX正确初始化*         - 调用本函数会停止原有DMA，然后重新配置DMA并启动环形接收*         - 使能USART的IDLE中断，实现突发/不定长帧高效处理* @retval 无*/
static void USART_Received_DMA_Configure(USART_Driver_t *usart)
{if (!usart) return;HAL_DMA_Abort(usart->hdma_rx); //! 先关闭HAL_UART_Receive_DMA(usart->huart, usart->rxDMABuffer, usart->rxBufSize); //! 启动环形DMA__HAL_UART_ENABLE_IT(usart->huart, UART_IT_IDLE); //! 使能IDLE中断usart->dmaRxLastPos = 0;
}/*** @brief  启动DMA方式串口发送* @param  usart 指向USART驱动结构体的指针* @param  data  指向待发送的数据缓冲区* @param  len   待发送的数据字节数* @note   发送前需确保txDMABusy为0，否则应等待前一帧发送完成*         启动后DMA自动填充USART_DR寄存器，实现高效异步发送* @retval 无*/
static void USART_SendString_DMA(USART_Driver_t *usart, uint8_t *data, uint16_t len)
{if (!usart || !data || len == 0 || len > usart->txBufSize) return;while (usart->txDMABusy); // 等待DMA空闲usart->txDMABusy = 1;HAL_UART_Transmit_DMA(usart->huart, data, len);
}/*** @brief  写入数据到接收RingBuffer* @param  usart 指向USART驱动结构体的指针* @param  data  指向要写入的数据缓冲区* @param  len   要写入的数据长度（单位：字节）* @retval 0  数据成功写入，无数据丢弃* @retval 1  ringbuffer剩余空间不足，丢弃部分旧数据以容纳新数据* @retval 2  数据长度超过ringbuffer总容量，仅保留新数据尾部（全部旧数据被清空）* @retval 3  输入数据指针为空* @note* - 本函数通过lwrb库操作ringbuffer。* - 当len > ringbuffer容量时，强行截断，仅保留最新usart->rxRBBuffer字节。* - 若空间不足，自动调用lwrb_skip()丢弃部分旧数据。*/
static uint8_t Put_Data_Into_Ringbuffer(USART_Driver_t *usart, const void *data, uint16_t len)
{//! 检查输入指针是否合法if (!usart || !data) return 3;lwrb_t *rb = &usart->rxRB;uint16_t rb_size = usart->rxBufSize;//! 获取当前RingBuffer剩余空间lwrb_sz_t free_space = lwrb_get_free(rb);//! 分三种情况处理：长度小于、等于、大于RingBuffer容量uint8_t ret = 0;if (len < rb_size) {//! 数据小于RingBuffer容量if (len <= free_space) {//! 空间充足，直接写入lwrb_write(rb, data, len);} else {//! 空间不足，需丢弃部分旧数据lwrb_sz_t used = lwrb_get_full(rb);lwrb_sz_t skip_len = len - free_space;if (skip_len > used) {skip_len = used;}lwrb_skip(rb, skip_len); //! 跳过（丢弃）旧数据lwrb_write(rb, data, len);ret = 1;}} else if (len == rb_size) { //! 数据刚好等于RingBuffer容量if (free_space < rb_size) {lwrb_reset(rb); //! 空间不足，重置RingBufferret = 1;}lwrb_write(rb, data, len);} else { //! 数据超过RingBuffer容量，仅保留最后rb_size字节const uint8_t *byte_ptr = (const uint8_t *)data;data = (const void *)(byte_ptr + (len - rb_size));lwrb_reset(rb);lwrb_write(rb, data, rb_size);ret = 2;}return ret;
}/*** @brief  从DMA环形缓冲区搬运新收到的数据到RingBuffer（支持环绕）* @param  usart 指向USART驱动结构体的指针* @note   支持IDLE、DMA HT/TC等多中断共同调用*         - 本函数计算DMA环形缓冲区的新数据，并搬运到RingBuffer*         - 支持一次性或分段搬运（缓冲区环绕时自动分两段处理）* @retval 无*/
static void USART_DMA_RX_Copy(USART_Driver_t *usart)
{uint16_t bufsize  = usart->rxBufSize;uint16_t curr_pos = bufsize - __HAL_DMA_GET_COUNTER(usart->hdma_rx);uint16_t last_pos = usart->dmaRxLastPos;if (curr_pos != last_pos) {if (curr_pos > last_pos) {//! 普通情况，未环绕Put_Data_Into_Ringbuffer(usart, usart->rxDMABuffer + last_pos, curr_pos - last_pos);usart->rxMsgCount += (curr_pos - last_pos);} else {//! 环绕，分两段处理Put_Data_Into_Ringbuffer(usart, usart->rxDMABuffer + last_pos, bufsize - last_pos);Put_Data_Into_Ringbuffer(usart, usart->rxDMABuffer, curr_pos);usart->rxMsgCount += (bufsize - last_pos) + curr_pos;}usart->dmaRxLastPos = curr_pos;}
}/*** @brief  DMA接收搬运环形Buffer（推荐在IDLE、DMA中断等调用）* @param  usart 指向USART驱动结构体的指针* @retval 无*/
void USART_DMA_RX_Interrupt_Handler(USART_Driver_t *usart)
{if (!usart) return;USART_DMA_RX_Copy(usart);
}/*** @brief  串口IDLE中断处理（需在USARTx_IRQHandler中调用）* @param  usart 指向USART驱动结构体的指针* @note   检查并清除IDLE标志，及时触发DMA搬运* @retval 无*/
void USART_RX_IDLE_Interrupt_Handler(USART_Driver_t *usart)
{if (!usart) return;if (__HAL_UART_GET_FLAG(usart->huart, UART_FLAG_IDLE)) {__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(usart->huart);USART_DMA_RX_Copy(usart);}
}/*** @brief  DMA发送完成回调（由用户在HAL库TxCpltCallback中调用）* @param  usart 指向USART驱动结构体的指针* @note   一定要调用，否则无法再次DMA发送* @retval 无*/
void USART_DMA_TX_Interrupt_Handler(USART_Driver_t *usart)
{if (!usart) return;usart->txDMABusy = 0;
}/*** @brief  将数据写入指定USART驱动的发送 RingBuffer 中* @param  usart  指向USART驱动结构体的指针* @param  data   指向要写入的数据缓冲区* @param  len    要写入的数据长度（字节）* @retval  0  数据成功写入，无数据丢弃* @retval  1  ringbuffer 空间不足，丢弃部分旧数据以容纳新数据* @retval  2  数据长度超过 ringbuffer 总容量，仅保留最新 TX_BUFFER_SIZE 字节* @retval  3  输入数据指针为空* @note* - 使用 lwrb 库操作发送 RingBuffer（usart->txRB）。* - 若 len > ringbuffer 容量，会自动截断，仅保留最新的数据。* - 若空间不足，将调用 lwrb_skip() 丢弃部分旧数据。*/
uint8_t USART_Put_TxData_To_Ringbuffer(USART_Driver_t *usart, const void* data, uint16_t len)
{if (!usart || !data) return 3; //! 检查输入数据指针有效性lwrb_t *rb = &usart->txRB;uint16_t capacity = usart->txBufSize;lwrb_sz_t freeSpace = lwrb_get_free(rb);uint8_t ret = 0;//! 情况1：数据长度小于ringbuffer容量if (len < capacity) {if (len <= freeSpace) {lwrb_write(rb, data, len); //! 剩余空间充足，直接写入} else {//! 空间不足，需丢弃部分旧数据lwrb_sz_t used = lwrb_get_full(rb);lwrb_sz_t skip_len = len - freeSpace;if (skip_len > used) skip_len = used;lwrb_skip(rb, skip_len);lwrb_write(rb, data, len);ret = 1;}} else if (len == capacity) { //! 情况2：数据长度等于ringbuffer容量if (freeSpace < capacity) { //! 如果ringbuffer已有数据lwrb_reset(rb);ret = 1;}lwrb_write(rb, data, len);} else { //! 情况3：数据长度大于ringbuffer容量，仅保留最后 capacity 字节const uint8_t *ptr = (const uint8_t*)data + (len - capacity);lwrb_reset(rb);lwrb_write(rb, ptr, capacity);ret = 2;}return ret;
}/*** @brief   初始化USART驱动，配置DMA、RingBuffer与中断* @param   usart         指向USART驱动结构体的指针* @param   rxDMABuffer   DMA接收缓冲区指针* @param   rxRBBuffer    接收RingBuffer缓冲区指针* @param   rxBufSize     接收缓冲区大小* @param   txDMABuffer   DMA发送缓冲区指针* @param   txRBBuffer    发送RingBuffer缓冲区指针* @param   txBufSize     发送缓冲区大小* @retval  无* @note    需先通过CubeMX完成串口、DMA相关硬件配置和句柄赋值*/
void USART_Config(USART_Driver_t *usart,uint8_t *rxDMABuffer, uint8_t *rxRBBuffer, uint16_t rxBufSize,uint8_t *txDMABuffer, uint8_t *txRBBuffer, uint16_t txBufSize)
{if (!usart) return;usart->rxDMABuffer = rxDMABuffer;usart->rxRBBuffer  = rxRBBuffer;usart->rxBufSize   = rxBufSize;lwrb_init(&usart->rxRB, usart->rxRBBuffer, usart->rxBufSize);usart->txDMABuffer = txDMABuffer;usart->txRBBuffer  = txRBBuffer;usart->txBufSize   = txBufSize;lwrb_init(&usart->txRB, usart->txRBBuffer, usart->txBufSize);USART_Received_DMA_Configure(usart); // 初始化DMA RXusart->txDMABusy = 0;usart->dmaRxLastPos = 0;usart->rxMsgCount = 0;usart->txMsgCount = 0;usart->errorDMATX = 0;usart->errorDMARX = 0;usart->errorRX = 0;
}/*** @brief  USART模块主循环调度函数（DMA + RingBuffer高效收发）* @param  usart 指向USART驱动结构体的指针* @note   建议主循环定时（如1ms）调用*         - 检查发送RingBuffer是否有待发送数据，且DMA当前空闲*         - 若条件满足，从发送RingBuffer读取一段数据到DMA发送缓冲区，并通过DMA启动异步发送*         - 自动维护已发送数据统计* @retval 无*/
void USART_Module_Run(USART_Driver_t *usart)
{if (!usart) return;uint16_t available = lwrb_get_full(&usart->txRB);if (available && usart->txDMABusy == 0) {uint16_t len = (available > usart->txBufSize) ? usart->txBufSize : available;lwrb_read(&usart->txRB, usart->txDMABuffer, len);usart->txMsgCount += len;USART_SendString_DMA(usart, usart->txDMABuffer, len);}
}/*** @brief  获取USART接收RingBuffer中的可读字节数* @param  usart 指向USART驱动结构体的指针* @retval uint32_t 可读取的数据字节数* @note   通常在主循环或数据解析前调用，用于判断是否需要读取数据。*/
uint32_t USART_Get_The_Existing_Amount_Of_Data(USART_Driver_t *usart)
{if (!usart) return 0;return lwrb_get_full(&usart->rxRB);
}/*** @brief  从USART接收RingBuffer中读取一个字节数据* @param  usart 指向USART驱动结构体的指针* @param  data  指向存放读取结果的缓冲区指针* @retval 1  读取成功，有新数据存入 *data* @retval 0  读取失败（无数据或data为NULL）* @note   本函数不会阻塞，无数据时直接返回0。*/
uint8_t USART_Take_A_Piece_Of_Data(USART_Driver_t *usart, uint8_t* data)
{if (!usart || !data) return 0;return lwrb_read(&usart->rxRB, data, 1);
}/*** @brief  DMA传输错误后的自动恢复操作（含错误统计）* @param  usart 指向USART驱动结构体* @param  dir   方向：0=RX, 1=TX* @note   检测到DMA传输错误（TE）时调用，自动进行统计并恢复*         RX方向会自动重启DMA，TX方向建议等待主循环调度新发送* @retval 无*/
void USART_DMA_Error_Recover(USART_Driver_t *usart, uint8_t dir)
{if (!usart) return;if (dir == 0) { //! RX方向usart->errorDMARX++; //! DMA接收错误计数 */HAL_DMA_Abort(usart->hdma_rx);HAL_UART_Receive_DMA(usart->huart, usart->rxDMABuffer, usart->rxBufSize);//! 可以加入极端情况下的USART复位等} else { //! TX方向usart->errorDMATX++; //! DMA发送错误计数 */HAL_DMA_Abort(usart->hdma_tx);//! 一般等待主循环触发新的DMA发送}//! 可插入报警、日志
}

2.3、stm32f1xx_it.c

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

2.4、main.c

在这里插入图片描述
缓存分别是DMA缓存与ringbuffer缓存。
在这里插入图片描述

2.5、编译代码、下载代码

在这里插入图片描述

三、测试代码

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
如上所示，从成员rxMsgCount与txMsgCount看到，数据在正常收发。errorDMATX、errorDMARX、errorRX一直保持0，证明没有发生错误。

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好记忆不如烂笔头&#xff0c;能记下点东西&#xff0c;就记下点&#xff0c;有时间拿出来看看&#xff0c;也会发觉不一样的感受. 目录 一、概述 二、快速上手&#xff1a;开启 Streamable HTTP 服务端开启 客户端连接 三、深入两个核心参数 stateless_http json_resp…
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树莓派开箱上手教程（无需显示器版）

树莓派开箱上手教程（无需显示器版）

树莓派开箱上手教程&#xff08;无需显示器版&#xff09; 硬件准备 名称参数电源适配器5V电源适配器&#xff0c;至少需要3A的额定电流&#xff0c;配备USB Type-C输出接头microSD卡用来将树莓派的操作系统安装到上边&#xff0c;至少需要8GB容量&#xff0c;一般建议16GB及以…
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MySQL强化关键_015_存储过程

MySQL强化关键_015_存储过程

目 录 一、概述 1.说明 2.优点 3.缺点 二、存储过程的操作 1.创建 2.调用 3.查看 4.删除 三、变量 1.系统变量 &#xff08;1&#xff09;说明 &#xff08;2&#xff09;查看系统变量 &#xff08;3&#xff09;设置系统变量 2.用户变量 &#xff08;1&…
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动态规划dp

动态规划dp

这里写目录标题 动态规划01背包完全背包多重背包混合背包二维费用的背包分组背包有依赖的背包背包问题求方案数背包问题求具体方案数位 DP状压 DP常用例题 动态规划 01背包 有 n n n 件物品和一个容量为 W W W 的背包&#xff0c;第 i i i 件物品的体积为 w [ i ] w[i] w…
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arcgis js统计FeatureLayer的椭球面积、平面面积

arcgis js统计FeatureLayer的椭球面积、平面面积

1、导入依赖 import FeatureLayer from arcgis/core/layers/FeatureLayer import { geodesicArea, planarArea, simplify } from arcgis/core/geometry/geometryEngine; import { project, load as projectionLoad } from arcgis/core/geometry/projection2、初始化project o…
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