【串口技术系列文档 08】中断驱动vs轮询vs DMA

本文目标：掌握三种UART数据传输模式的原理、优缺点及应用场景

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[@ $TOC$ (目录)](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[三种模式对比](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[轮询模式](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[原理](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[优缺点](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[应用场景](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[中断驱动模式](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[发送中断实现](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[接收中断实现](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[DMA传输模式](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[DMA配置](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[循环DMA（接收）](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[混合模式](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[RX中断 + TX DMA](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)
[性能对比实测](#目录 @TOC 三种模式对比轮询模式原理优缺点应用场景中断驱动模式发送中断实现接收中断实现 DMA传输模式 DMA配置循环DMA（接收）混合模式 RX中断 + TX DMA 性能对比实测)

三种模式对比

特性	轮询模式	中断驱动	DMA传输
CPU占用	极高（阻塞等待）	中等（中断上下文切换）	极低（硬件自动）
实时性	高（立即响应）	中等（中断延迟）	低（DMA延迟）
吞吐量	低	中	高
实现复杂度	简单	中等	复杂
功耗	高	中	低
适用场景	简单调试、Bootloader	通用应用	高速大数据量传输

轮询模式

原理

c 复制代码

// 轮询发送
void uart_send_polling(uint8_t data) {
    while (!(UART->LSR & LSR_THRE));  // 等待发送缓冲区空
    UART->THR = data;
}

// 轮询接收
uint8_t uart_recv_polling(void) {
    while (!(UART->LSR & LSR_DR));  // 等待数据就绪
    return UART->RBR;
}

优缺点

优点：

实现简单，代码量少
无需配置中断
实时性好（立即检测到数据）

缺点：

CPU 100%占用，无法处理其他任务
功耗高
不适合RTOS环境

应用场景

Bootloader固件下载（简单可靠）
早期调试阶段
单线程简单应用

中断驱动模式

发送中断实现

c 复制代码

#define TX_BUF_SIZE 256
static uint8_t tx_buffer[TX_BUF_SIZE];
static volatile uint16_t tx_head = 0, tx_tail = 0;

// 启动发送
void uart_send_start(const uint8_t *data, uint16_t len) {
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        uint16_t next = (tx_head + 1) % TX_BUF_SIZE;
        if (next == tx_tail) break;  // 缓冲区满
        
        tx_buffer[tx_head] = data[i];
        tx_head = next;
    }
    
    UART->IER |= IER_THRE;  // 使能发送中断
}

// 发送中断处理
void uart_tx_isr(void) {
    if (tx_head != tx_tail) {
        UART->THR = tx_buffer[tx_tail];
        tx_tail = (tx_tail + 1) % TX_BUF_SIZE;
    } else {
        UART->IER &= ~IER_THRE;  // 关闭发送中断
    }
}

接收中断实现

c 复制代码

#define RX_BUF_SIZE 256
static uint8_t rx_buffer[RX_BUF_SIZE];
static volatile uint16_t rx_head = 0, rx_tail = 0;

// 接收中断处理
void uart_rx_isr(void) {
    while (UART->LSR & LSR_DR) {
        uint8_t data = UART->RBR;
        
        uint16_t next = (rx_head + 1) % RX_BUF_SIZE;
        if (next != rx_tail) {  // 缓冲区未满
            rx_buffer[rx_head] = data;
            rx_head = next;
        } else {
            // 溢出处理
        }
    }
}

// 读取数据
int uart_getchar(void) {
    if (rx_head == rx_tail) return -1;
    
    uint8_t c = rx_buffer[rx_tail];
    rx_tail = (rx_tail + 1) % RX_BUF_SIZE;
    return c;
}

DMA传输模式

DMA配置

c 复制代码

// 配置TX DMA
void uart_tx_dma_init(void) {
    // 配置DMA通道
    DMA_CH->SAR = (uint32_t)tx_dma_buffer;  // 源地址
    DMA_CH->DAR = (uint32_t)&UART->THR;     // 目标地址
    DMA_CH->CTL = DMA_MEM_TO_PERIPH | 
                  DMA_MINC_ENABLE |  // 源地址递增
                  DMA_BYTE_SIZE;
    
    // UART使能DMA
    UART->DMACR |= UART_TXDMAE;
}

// 启动DMA发送
void uart_send_dma(const uint8_t *data, uint16_t len) {
    memcpy(tx_dma_buffer, data, len);
    
    DMA_CH->CNDTR = len;  // 传输长度
    DMA_CH->CCR |= DMA_EN;  // 启动DMA
}

// DMA传输完成中断
void DMA_IRQHandler(void) {
    if (DMA->ISR & DMA_TCIF) {  // 传输完成
        DMA->IFCR = DMA_CTCIF;  // 清除标志
        DMA_CH->CCR &= ~DMA_EN;  // 停止DMA
        
        // 通知应用层
        tx_complete_callback();
    }
}

循环DMA（接收）

c 复制代码

#define RX_DMA_SIZE 1024

void uart_rx_dma_init(void) {
    DMA_CH->SAR = (uint32_t)&UART->RBR;
    DMA_CH->DAR = (uint32_t)rx_dma_buffer;
    DMA_CH->CNDTR = RX_DMA_SIZE;
    DMA_CH->CTL = DMA_PERIPH_TO_MEM | 
                  DMA_MINC_ENABLE | 
                  DMA_CIRCULAR_MODE;  // 循环模式
    
    DMA_CH->CCR |= DMA_EN;
    UART->DMACR |= UART_RXDMAE;
}

// 读取已接收数据
uint16_t uart_rx_dma_read(uint8_t *buf, uint16_t len) {
    uint16_t dma_pos = RX_DMA_SIZE - DMA_CH->CNDTR;
    uint16_t available = (dma_pos - rx_tail + RX_DMA_SIZE) % RX_DMA_SIZE;
    
    if (len > available) len = available;
    
    for (uint16_t i = 0; i < len; i++) {
        buf[i] = rx_dma_buffer[rx_tail];
        rx_tail = (rx_tail + 1) % RX_DMA_SIZE;
    }
    
    return len;
}

混合模式

RX中断 + TX DMA

c 复制代码

// 接收：中断驱动（低延迟）
// 发送：DMA（高效率）

适用场景：
- 接收数据量小，需要快速响应（命令/协议）
- 发送数据量大（日志、文件传输）

性能对比实测

测试条件：

MCU: STM32F4, 168MHz
波特率: 921600 bps
数据: 连续发送1KB

模式	CPU占用	传输时间	中断次数
轮询	100%	11.1ms	0
中断	15%	11.2ms	~1000
DMA	2%	11.1ms	1

延伸阅读： $\[09-FIFO管理与流控$ ]、 $\[13-多串口并发处理$ ]

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