STM32 之九 HAL 库串口（USART/UART）驱动 BUG 及解决方法

旧城等待， 2022-04-12 12:58 2144阅读 0赞

# 写在前面 #

在工作中，部分产品使用了ST最新的 HAL驱动库，发现 HAL 库 BUG 还是挺多的！本文重点针对在使用HAL库的 UART / USART 部分时，发现的以下几个个比较严重Bug。其严重影响正常产品中使用！特此备注说明。  
  不过需要说明的是，HAL库的串口驱动确实很好使用，绝大部分繁杂的工作都被封装在了 HAL 库 函数之中。但是，这种封装也存在一定的弊端，因为作为嵌入式产品，我不需要大而全的东西，只求精简高效！  
  在使用 USB部分驱动时，BUG也是不少（*目前产品已全部替换使用旧版独立版本的USB库了*），后续文章在说明！HAL库的USB部分是真的难用！与旧版差多了！

# 分析解决 #

1.  如果在DMA发送过程中，出现串口错误(可能是发送错误，也可能是接收错误)，将进入HAL的中断处理函数，但是处理函数中只处理了DMA的接收部分（将DMA关闭，清除串口的接收标志CR3->DMAR），而对于发送的DMA标志(CR3->DMAT)则没有处理，这样重新初始化后，CR3->DMAT先于DMA通道使能，就导致了再次配置完串口启用DMA发送时出现错误。因此 ***必须在错误回调函数中，显式清除CR3->DMAT***
2.  由于DMA在其设计上，在使能时NDTR会自动重装之前的值，而串口使用DMA接收时，通常是工作在**循环模式**下，重装后将导致循环模式重新计算，进一步导致串口接收循环覆盖。（STM32F407手册有说明，其他芯片未知）因此，***不能在驱动的任何地方关闭DMA（发生错误，重新初始化除外）。***

> 针对这一点，网上很多文章说，在获取DMA收到的数据长度时，最好先关闭DMA，这种情况不适用于**循环模式**！

1.  关于错误回调函数的调用问题：在DMA模式下，出现错误时，根据HAL库的设计，错误回调函数是在DMA中断处理函数中被调用的。具体流程为：`串口接收产生错误 -> 关闭使用的DMA -> DMA传输完成 -> 产生完成中断 -> 进入DMA中断处理函数并发现有错误，则调用串口错误处理函数`。***这就导致了在正常传输时，DMA接收中断是用不到的，但是一旦产生错误时，则会产生DMA传输完成中断。*** 因此，**DMA接收中断只在产生错误时使用。** 寄存器的值具体如下所示：  
    ![UART\_DMA][UART_DMA]

> 在之前的使用中，我曾认为DMA的接收中断没有用到就删除了，后来发现无法处理错误情况！

1.  在HAL库的设计上，调用对应的反初始化函数是非常有必要的！例如：对于串一般需要根据波特率等信息反复初始化。但是，在使用了DMA时，HAL库在设计上将DMA作为MSP部分，而一旦初始化过之后，MSP便不会再次初始化。这就导致了，DMA接收不会复位（NDTR寄存器不会重装）。进一步导致DMA接收存放数据位置有偏移。但是，又不可能先调用反初始化，再调用初始化（没初始化之前，对应的外设的Handle还没有赋值）。反初始化必须在初始化后调用，所以对于HAL库的该问题需要进行额外处理。以下以串口为例（仅仅是两处例子，其他库函数也可能有问题），说明如下：

/* 问题 一 */
    HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Init(UART_HandleTypeDef *huart)
    { 
        /* 省略 */
        if(huart->gState == HAL_UART_STATE_RESET)    /* 只有在 HAL_UART_STATE_RESET 时，才会初始化 MSP部分 */
        { 
            /* Allocate lock resource and initialize it */
            huart->Lock = HAL_UNLOCKED;
            /* Init the low level hardware */
            HAL_UART_MspInit(huart);
        }
     
        huart->gState = HAL_UART_STATE_BUSY;     /* 一旦初始化之后，状态即为 HAL_UART_STATE_BUSY */
         
        /* 省略 */
     
        huart->ErrorCode = HAL_UART_ERROR_NONE;
        huart->gState= HAL_UART_STATE_READY;     /* 最后，状态为 HAL_UART_STATE_READY */
        huart->RxState= HAL_UART_STATE_READY;
    }
    /* 问题 二 */
    HAL_StatusTypeDef HAL_DMA_Start_IT(DMA_HandleTypeDef *hdma, uint32_t SrcAddress, uint32_t DstAddress, uint32_t DataLength)
    { 
        /* 省略 */
        if(HAL_DMA_STATE_READY == hdma->State)/* 只有在 HAL_DMA_STATE_READY 时，才会初始化重新赋值DMA */
        { 
            /* 省略 */
        }
        /* 省略 */
    }

1.  当发生错误时，HAL库的中断处理函数`void HAL_UART_IRQHandler(UART_HandleTypeDef *huart)`没有清除错误中断标志！导致重新初始化之后，一直不停的进入中断。其手册中给出的中断标志清除如下所示：

* @param  __FLAG__ specifies the flag to check.
    *          This parameter can be any combination of the following values:
    *            @arg UART_FLAG_CTS:  CTS Change flag (not available for UART4 and UART5).
    *            @arg UART_FLAG_LBD:  LIN Break detection flag.
    *            @arg UART_FLAG_TC:   Transmission Complete flag.
    *            @arg UART_FLAG_RXNE: Receive data register not empty flag.
    *   
    * @note   PE (Parity error), FE (Framing error), NE (Noise error), ORE (Overrun 
    *          error) and IDLE (Idle line detected) flags are cleared by software 
    *          sequence: a read operation to USART_SR register followed by a read
    *          operation to USART_DR register.
    * @note   RXNE flag can be also cleared by a read to the USART_DR register.
    * @note   TC flag can be also cleared by software sequence: a read operation to 
    *          USART_SR register followed by a write operation to USART_DR register.
    * @note   TXE flag is cleared only by a write to the USART_DR register.
    /** @brief Clears the specified UART pending flag. * @param __HANDLE__ specifies the UART Handle. * This parameter can be UARTx where x: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8 to select the USART or * UART peripheral. * @param __FLAG__ specifies the flag to check. * This parameter can be any combination of the following values: * @arg UART_FLAG_CTS: CTS Change flag (not available for UART4 and UART5). * @arg UART_FLAG_LBD: LIN Break detection flag. * @arg UART_FLAG_TC: Transmission Complete flag. * @arg UART_FLAG_RXNE: Receive data register not empty flag. * * @note PE (Parity error), FE (Framing error), NE (Noise error), ORE (Overrun * error) and IDLE (Idle line detected) flags are cleared by software * sequence: a read operation to USART_SR register followed by a read * operation to USART_DR register. * @note RXNE flag can be also cleared by a read to the USART_DR register. * @note TC flag can be also cleared by software sequence: a read operation to * USART_SR register followed by a write operation to USART_DR register. * @note TXE flag is cleared only by a write to the USART_DR register. * * @retval None */
    #define __HAL_UART_CLEAR_FLAG(__HANDLE__, __FLAG__) ((__HANDLE__)->Instance->SR = ~(__FLAG__))

由上可知，想要清除错误标志(FE、PE、NE等)必须先读取USART\_SR register，紧接着读取USART\_DR register。但是中断处理函数中没有该过程！***因此，必须在错误处理函数中显示执行以上步骤。HAL库给出了本身清除以上标志对应的宏（其实，任意调用一个即可！）*** ，如下：

/** @brief Clear the UART PE pending flag. * @param __HANDLE__ specifies the UART Handle. * This parameter can be UARTx where x: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8 to select the USART or * UART peripheral. * @retval None */
    #define __HAL_UART_CLEAR_PEFLAG(__HANDLE__) \ do{ \ __IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \ tmpreg = (__HANDLE__)->Instance->SR; \ tmpreg = (__HANDLE__)->Instance->DR; \ UNUSED(tmpreg); \ } while(0U)
                                                 
    /** @brief Clear the UART FE pending flag. * @param __HANDLE__ specifies the UART Handle. * This parameter can be UARTx where x: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8 to select the USART or * UART peripheral. * @retval None */
    #define __HAL_UART_CLEAR_FEFLAG(__HANDLE__) __HAL_UART_CLEAR_PEFLAG(__HANDLE__)
     
    /** @brief Clear the UART NE pending flag. * @param __HANDLE__ specifies the UART Handle. * This parameter can be UARTx where x: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8 to select the USART or * UART peripheral. * @retval None */
    #define __HAL_UART_CLEAR_NEFLAG(__HANDLE__) __HAL_UART_CLEAR_PEFLAG(__HANDLE__)
     
    /** @brief Clear the UART ORE pending flag. * @param __HANDLE__ specifies the UART Handle. * This parameter can be UARTx where x: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8 to select the USART or * UART peripheral. * @retval None */
    #define __HAL_UART_CLEAR_OREFLAG(__HANDLE__) __HAL_UART_CLEAR_PEFLAG(__HANDLE__)
     
    /** @brief Clear the UART IDLE pending flag. * @param __HANDLE__ specifies the UART Handle. * This parameter can be UARTx where x: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8 to select the USART or * UART peripheral. * @retval None */
    #define __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(__HANDLE__) __HAL_UART_CLEAR_PEFLAG(__HANDLE__)

在不同芯片的HAL库中，其处理稍有不同。例如：在STM32F407的库中，在函数`HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)`中会有调用`__HAL_UART_CLEAR_OREFLAG(huart);`，但是，在STM32F205对应的库中则没有调用。具体如下图：  
![BUG][]

1.  中断模式下的接收函数`static HAL_StatusTypeDef UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart)`存在越界问题。具体如下：

/* Check that a Rx process is ongoing */
    if(huart->RxState == HAL_UART_STATE_BUSY_RX) 
    { 
        if(huart->Init.WordLength == UART_WORDLENGTH_9B)
        { 
            tmp = (uint16_t*) huart->pRxBuffPtr;             /* 当成16位处理，当接收最后一个数据时，导致越界 */
            if(huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE)
            { 
                *tmp = (uint16_t)(huart->Instance->DR & (uint16_t)0x01FF);
                huart->pRxBuffPtr += 2U;
            }
            else
            { 
                *tmp = (uint16_t)(huart->Instance->DR & (uint16_t)0x00FF);
                huart->pRxBuffPtr += 1U;
            }
        }
        else
        { 
            if(huart->Init.Parity == UART_PARITY_NONE)
            { 
                *huart->pRxBuffPtr++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x00FF);
            }
            else
            { 
                *huart->pRxBuffPtr++ = (uint8_t)(huart->Instance->DR & (uint8_t)0x007F);
            }
        }
    }

> STM32F205最新版本(1.7.0)的HAL库中，对以上问题（5）已经进行了修复！建议更新到最新版本！！！

[UART_DMA]: /images/20220412/ca658e7a457c474181e391c5e42261e0.png
[BUG]: /images/20220412/eb490bd7908d4b3a88e856efb0036ab1.png