ESP-IDF+vscode开发ESP32第十四讲——UHCI

前言

一、HUCI介绍

二、完善工程

[2.1 uart_m.c](#2.1 uart_m.c)

[2.2 uart_m.h](#2.2 uart_m.h)

[2.3 mian.c](#2.3 mian.c)

[2.4 代码解释](#2.4 代码解释)

[2.4.1 接收回调函数触发方式](#2.4.1 接收回调函数触发方式)

[2.4.2 接收机制](#2.4.2 接收机制)

三、结果展示

四、扩展

前言

在《ESP-IDF+vscode开发ESP32第三讲------UART_esp32 串口接收中断 vscode-CSDN博客》中我们使用了UART去收发数据，相比大家都知道UART经常搭配DMA使用。DMA是直接内存访问技术，无需通过中央处理器（CPU）的干预。对于DMA我这就不多介绍了，在STM32系列中有很多运用和解释。

本章就使用ESP-IDF 中 UART DMA（UHCI）驱动的功能来完成数据的收发。本文使用的开发板是微雪的**ESP32-P4-Module-DEV-KIT。**ESP-IDF版本是6.0.1。基于第三讲的工程来扩展。也建议先学习第三讲再学习本讲内容。

一、HUCI介绍

ESP32-P4 中的五个 UART 接口通过通用主机控制器接口 (UHCI) 共用 1 组 GDMA TX/RX 通道。在 GDMA 模式下，支持对 HCI 协议数据包的解析 (decoder) 及数据包封装 (encoder)。UHCI_UART_SEL 字段用于选择哪个串口占用 GDMA 通道。数据传输模式如下：

注：UART DMA 与 BT 共享 HCI 硬件，因此请勿同时使用 BT HCI 和 UART DMA，哪怕它们使用的是不同的 UART 端口。

二、完善工程

打开SDK配置编辑器，搜索huci，可以打开调试日志，能看到更多信息。剩下两个开关作用见《UART DMA (UHCI) - ESP32-P4 - --- ESP-IDF 编程指南 v6.0.1 文档》

2.1 uart_m.c

添加头文件 #include "driver/uhci.h"，下面是实现代码

cpp 复制代码

#define uhci_tx_size 1024
#define uhci_rx_size 1024

uhci_controller_handle_t uhci_ctrl = NULL;
bool uhci_rx_callback(uhci_controller_handle_t uhci_ctrl, const uhci_rx_event_data_t *edata, void *user_ctx);
bool uhci_tx_callback(uhci_controller_handle_t uhci_ctrl, const uhci_tx_done_event_data_t *edata, void *user_ctx);
void uhci_take_callback(void *arg);
TaskHandle_t uhci_task_handle = NULL;
size_t rx_data_size = 0;
void uart_dma_init(void)
{
    uart_config_t uart_config = {
        .baud_rate = 1000000,
        .data_bits = UART_DATA_8_BITS,
        .parity = UART_PARITY_DISABLE,
        .stop_bits = UART_STOP_BITS_1,
        .flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE,
        .source_clk = UART_SCLK_DEFAULT,
    };
    ESP_ERROR_CHECK(uart_param_config(uart_port, &uart_config));
    ESP_ERROR_CHECK(uart_set_pin(uart_port, uart_tx_pin, uart_rx_pin, -1, -1, -1, -1));

    uhci_controller_config_t uhci_config = {
        .uart_port = uart_port,
        .tx_trans_queue_depth = 5,
        .max_transmit_size = uhci_tx_size,
        .max_receive_internal_mem = uhci_rx_size,
        .dma_burst_size = 64,
        .rx_eof_flags.idle_eof = 1,
    };
    ESP_ERROR_CHECK(uhci_new_controller(&uhci_config, &uhci_ctrl));

    uhci_event_callbacks_t uhci_cbs = {
        .on_rx_trans_event = uhci_rx_callback,
        .on_tx_trans_done = uhci_tx_callback,
    };
    ESP_ERROR_CHECK(uhci_register_event_callbacks(uhci_ctrl, &uhci_cbs, (void*)&rx_data_size));
    xTaskCreate(uhci_take_callback, "uhci_take_callback", 4096, NULL, 10, &uhci_task_handle);
}
void uhci_take_callback(void *arg)
{
    uint8_t *pdata = heap_caps_calloc(1, uhci_rx_size, MALLOC_CAP_DMA | MALLOC_CAP_INTERNAL | MALLOC_CAP_8BIT);
    assert(pdata);
    ESP_ERROR_CHECK(uhci_receive(uhci_ctrl, pdata, uhci_rx_size));
    while(1)
    {
        ulTaskNotifyTake(pdTRUE, portMAX_DELAY);
        ESP_ERROR_CHECK(uhci_transmit(uhci_ctrl, pdata, rx_data_size));
        ESP_ERROR_CHECK(uhci_receive(uhci_ctrl, pdata, uhci_rx_size));
        //ESP_ERROR_CHECK(uhci_wait_all_tx_transaction_done(uhci_ctrl, portMAX_DELAY));
    }

}
bool uhci_rx_callback(uhci_controller_handle_t uhci_ctrl, const uhci_rx_event_data_t *edata, void *user_ctx)
{
    BaseType_t TaskWoken = pdFALSE;
    ESP_LOGI(TAG, "接收到的数据大小: %d", edata->recv_size);
    *(size_t*)user_ctx = edata->recv_size;
    if(edata->flags.totally_received){
        ESP_LOGI(TAG, "所有数据接收完成");
        vTaskNotifyGiveFromISR(uhci_task_handle, &TaskWoken);
    }
    else{
        ESP_LOGI(TAG, "还有数据等待接收未完成");
    }
    return true;
}
bool uhci_tx_callback(uhci_controller_handle_t uhci_ctrl, const uhci_tx_done_event_data_t *edata, void *user_ctx)
{
    ESP_LOGI(TAG, "已发送数据大小: %d", edata->sent_size);
    return false;
}

2.2 uart_m.h

cpp 复制代码

#ifndef UART_M_H
#define UART_M_H

#include <string.h>              // 字符串处理函数
#include "esp_log.h"             // ESP32日志函数
#include "FreeRTOS/FreeRTOS.h"   // FreeRTOS函数
#include "FreeRTOS/task.h"       // FreeRTOS任务管理函数
#include "FreeRTOS/semphr.h"     // FreeRTOS信号量管理函数
#include "hal/uart_ll.h"

#define uaer_rx_buffer 512
#define uart_tx_buffer 512
#define uart_port UART_NUM_0
#define uart_tx_pin GPIO_NUM_37
#define uart_rx_pin GPIO_NUM_38
#define uart_intr UART_INTR_RXFIFO_TOUT | UART_INTR_RXFIFO_FULL

void uart_init(void);
void uart_dma_init(void);

#endif                        // UART_M_H

2.3 mian.c

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include "user.h"
#include "uart_m.h"

void app_main(void)
{
    CONSOLE_REPL_INIT(); // 初始化控制台REPL环境
    uart_dma_init();
    while(1)
    {
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

2.4 代码解释

uart DMA涉及的API不多，这个工程几乎全用到了。使用步骤如下。关于各API的定义可见《ESP32 实用API指南2_xiao-esp32 api-CSDN博客》

首先需要使用uart_param_config函数初始化通讯配置，然后使用uart_set_pin函数绑定管脚。和单纯使用uart比起来少了uart_driver_install和uart_set_mode函数的使用。原先单纯uart的中断这边也暂时不用了。我这使用了很高的波特率，为1000000，为了模拟DMA大数据收发需要的高速运行。

接着就使用函数uhci_new_controller对dma传输进行配置，接着使用uhci_register_event_callbacks注册接收回调函数和发送回调函数。

最后创建一个工作任务，初始化就完成了。

2.4.1 接收回调函数触发方式

该回调函数主要在以下 3 种核心情况 下被触发（进入）：

达到预设的接收长度

这是最标准的触发条件。

触发机制：使用uart_param_config配置时都会指定一个接收目标缓冲区大小，当 DMA 控制器将 UART FIFO 中的数据搬运到内存，达到了这个预设的字节数，硬件会产生一个中断，进入接收回调函数。

满足UHCI 结束标志

这是处理变长数据包时最关键的触发条件。

触发机制：使用uart_param_config配置时可以通过rx_eof_flags选择结束标志，有三种，分别是，UART 接收到空帧、UART 处于空闲状态和接收字节数达到特定值。当dma传输工作中满足你设定的状态，就会触发一个中断，进入接收回调函数。

DMA 错误或溢出

触发机制：如果 UART 接收数据的速度太快，而你配置的 DMA 缓冲区太小（或者 DMA 描述符链耗尽），导致数据来不及搬运，就会发生 DMA 溢出（Overflow）或描述符错误。

而发送回调函数进入方式就是当数据发送完成后进入。

2.4.2 接收机制

所以我这再任务uhci_take_callback中首先初始化了一个DMA接收缓冲区，接着调用函数uhci_receive来来挂载 DMA 缓冲区并启动 DMA 通道，从而接收数据，这是一个单次有效的函数，只有当DMA触发了接受回调后才会停止（如果是DMA 溢出造成的回调函数触发则不会停止）。所以必须在接收完成后（退出接受回调后）再次调用uhci_receive来挂载新的（或同一个）缓冲区，以准备接收下一帧数据。

**注：**由于uhci_receive是单次的，在 "上一次 DMA 触发回调" 到 "下一次调用 uhci_receive重新启动" 之间，存在一个时间差（真空期）。在这个真空期内：DMA 是停止的。此时 UART 收到的数据只能存放在硬件 FIFO 中（ESP32-C3/C6 的 UART FIFO 通常为 128 字节）。

风险：如果你的回调函数执行太慢，或者主任务重启 DMA 太慢，这期间如果对方发来的数据超过了 128 字节，就会发生 FIFO 溢出，导致数据静默丢失。

所以我这在接收回调函数退出时使用vTaskNotifyGiveFromISR启动任务uhci_take_callback，在任务中使用uhci_transmit将数据回传后，继续开启下一轮uhci_receive接收。因为这两个函数都是非阻塞的，所以真空期极短。但是我这因为接收和发送使用同一个缓冲区，所以为了保证发送的数据无误，真空期最少要大于数据发送时间。

三、结果展示

可以看到前三次数据帧个数小于设定的缓冲区大小1024，一次就接收完成，出发了空闲接收回调。当第四次数据包字节数大于1024，首先触发溢出回调中断，此时因为没有完成数据收发，所以不会启动uhci_take_callback任务，从而也不会启动数据回传，而且这种回调触发不会停止DMA接收，所以立马接收了剩余的字节数，接着触发空闲接受回调，此时会启动uhci_take_callback任务，故uhci_transmit会将第二次触发空闲接受回调接受的数据回传回来。

四、扩展

uart使用dma也可以用硬件流控，而且在高速或大数据量传输场景下，强烈建议将 UART DMA 与硬件流控（RTS/CTS）结合使用！

在 UART 接收数据时，数据流向是：外部设备 -> UART RX 引脚 -> UART 硬件 FIFO (通常 128 字节) -> DMA 搬运 -> 内存 (RAM)。

如果没有硬件流控（仅用 DMA）：

当你的 DMA 缓冲区满了，或者在"上一次 DMA 完成"到"下一次调用 uhci_receive() 重启 DMA"的真空期内，如果外部设备继续疯狂发数据，UART 的 128 字节 FIFO 瞬间就会被塞满。FIFO 满后，新来的数据会触发 FIFO 溢出错误（Overrun Error），导致数据永久丢失。
加上硬件流控后：

硬件流控是 UART 控制器内部的纯硬件逻辑，它独立于 CPU 和 DMA 运行。当 UART FIFO 中的数据量达到你设定的阈值时，UART 硬件会自动拉高 RTS 引脚电平，告诉外部设备："我快满了，暂停发送！"。等 DMA 把 FIFO 里的数据搬走，FIFO 水位下降后，硬件又会自动拉低 RTS，让对方继续发送。

硬件流控完美弥补了 DMA 启停过程中的"真空期"和缓冲区不足的问题，实现了零丢包。