STM32F103C8T6第5天：独立看门狗、窗口看门狗、dma实验

本文介绍: 窗口看门狗用于监测单片机程序运行时效是否精准，主要检测软件异常，一般用于需要精准检测程序运行时间的场合。窗口看门狗的本质是一个能产生系统复位信号和提前唤醒中断的6位计数器。当递减计数器值从 0x40 减到 0x3F 时复位（即T6位跳变到0）计数器的值大于 W[6:0] 值时喂狗会复位。当递减计数器等于 0x40 时可产生提前唤醒中断 (EWI)。在窗口期内重装载计数器的值，防止复位，也就是所谓的喂狗。

1. 独立看门狗IWDG介绍（341.45）

什么是看门狗？

在这里插入图片描述

在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专门用于监测单片机程序运行状态的模块或者芯片，俗称“看门狗”（watchdog）。
独立看门狗工作在主程序之外，能够完全独立工作，它的时钟是专用的低速时钟（LSI），由 VDD 电压供电，在停止模式和待机模式下仍能工作。

独立看门狗本质

本质是一个 12 位的递减计数器，当计数器的值从某个值一直减到 0 的时候，系统就会产生一个复位信号，即 IWDG_RESET 。
如果在计数没减到 0 之前，刷新了计数器的值的话，那么就不会产生复位信号，这个动作就是我们经常说的喂狗。

独立看门狗框图

在这里插入图片描述

独立看门狗时钟

独立看门狗的时钟由独立的 RC 振荡器 LSI 提供，即使主时钟发生故障它仍然有效，非常独立。启用 IWDG 后，LSI 时钟会自动开启（不能主动停止，除非重置/重启）。LSI 时钟频率并不精确，F1 用 40kHz。
LSI 经过一个 8 位的预分频器得到计数器时钟。
分频系数算法：（prer：0–8 是IWDG_PR 的值）

重装载寄存器

重装载寄存器是一个 32 位的寄存器，用于存放重装载值，低 12 位有效，即最大值为 4096，这个值的大小决定着独立看门狗的溢出时间。

键寄存器

键寄存器IWDG_KR可以说是独立看门狗的一个控制寄存器，主要有三种控制方式，往这个寄存器写入下面三个不同的值有不同的效果。

溢出时间 计算 公式（RLR：计数多少次）

在这里插入图片描述

2. 独立看门狗实验（342.46）

需求： 开启独立看门狗，溢出时间为 1 秒，使用按键1进行喂狗。
硬件接线：
- KEY1 – PA0
- UART1 – PA9/PA10
溢出时间计算（1000ms）： PSC=64，RLR=625，f=40
编程实现：
代码（18.iwd g_test/MDK-ARM）

#include <string.h&gt;
int main()
{
	HAL_Init();
	SystemClock_Config();
	MX_GPIO_Init();
    MX_IWDG_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
	HAL_UART_Transmit(&amp;huart1, "程序启动...n", strlen("程序启动...n"), 100);
	while (1)
	{
	  if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)//检测到key1被按下时（低电平）
	    HAL_IWDG_Refresh(&amp;hiwdg);
	  HAL_Delay(50);
	}
}

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STM32CubeMx工程配置

3. 窗口看门狗WWDG介绍（343.47）

什么是窗口看门狗？

窗口看门狗用于监测单片机程序运行时效是否精准，主要检测软件异常，一般用于需要精准检测程序运行时
间的场合。
窗口看门狗的本质是一个能产生系统复位信号和提前唤醒中断的6位计数器。
产生复位条件：
- 当递减计数器值从 0x40 减到 0x3F 时复位（即T6位跳变到0）
- 计数器的值大于 W[6:0] 值时喂狗会复位。
产生中断条件：
- 当递减计数器等于 0x40 时可产生提前唤醒中断 (EWI)。
在窗口期内重装载计数器的值，防止复位，也就是所谓的喂狗。

窗口看门狗工作原理

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控制寄存器

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配置寄存器

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状态寄存器

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超时时间 计算

在这里插入图片描述

Tout 是 WWDG 超时时间（没喂狗）
Fwwdg 是 WWDG 的时钟源频率（最大36M）
4096 是 WWDG 固定的预分频系数
2^WDGTB 是 WWDG_CFR 寄存器设置的预分频系数值
T[5:0] 是 WWDG 计数器低 6 位，最多 63

4. 窗口看门狗实验（344.48）

需求： 开启窗口看门狗，计数器值设置为 0X7F ，窗口值设置为 0X5F ，预分频系数为 8 。程序启动时点亮 LED1 ，
300ms 后熄灭。在提前唤醒中断服务函数进行喂狗，同时翻转 LED2 状态。
硬件接线：
- LED1 – PB8
- LED2 – PB9
超时时间计算（ms）： 预分频系数=8，T[6:0]=127，W[6:0]=95，Fwwdg=36MHz=36000kHz
WWDG配置：
代码（19.wwdg_test/MDK-ARM）

void HAL_WWDG_EarlyWakeupCallback(WWDG_HandleTypeDef *hwwdg)
{
	HAL_WWDG_Refresh(hwwdg);//提前唤醒中断：喂狗
	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_9);//喂狗之后翻转led的状态
}
int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);
	HAL_Delay(300);
	//HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);
    MX_WWDG_Init();
	while (1)
    {
		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);
		HAL_Delay(40);
    }
}

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5. 独立看门狗和窗口看门狗异同点（345.49）

在这里插入图片描述

6. DMA介绍

什么是DMA？

令人头秃的描述：

DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问) 提供在外设与内存、存储器和存储器、外设与外设之间的高速数据传输使用。

它允许不同速度的硬件装置来沟通，而不需要依赖于 CPU，在这个时间中，CPU 对于内存的工作来说就无法使用。

简单描述：就是一个数据搬运工

DMA的意义

代替 CPU 搬运数据，为 CPU 减负。

数据搬运的工作比较耗时间；
数据搬运工作时效要求高（有数据来就要搬走）；
没啥技术含量（CPU 节约出来的时间可以处理更重要的事）。

搬运什么数据？

存储器、外设

这里的外设指的是 spi、usart、iic、adc 等基于 APB1 、APB2 或 AHB 时钟的外设，而这里的存储器包括自身的闪存（flash）或者内存（SRAM）以及外设的存储设备都可以作为访问地源或者目的。

三种搬运方式：
- 存储器→存储器（例如：复制某特别大的数据 buf）
- 存储器→外设（例如：将某数据 buf 写入串口 TDR 寄存器）
- 外设→存储器（例如：将串口 RDR 寄存器写入某数据 buf）

存储器→存储器

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存储器→外设

在这里插入图片描述

外设→存储器

在这里插入图片描述

DMA 控制器

STM32F103 有 2 个 DMA 控制器，DMA1 有 7 个通道，DMA2 有 5 个通道。
一个通道每次只能搬运一个外设的数据。如果同时有多个外设的 DMA 请求，则按照优先级进行响应。
DMA1 有 7 个通道：
DMA2 有 5 个通道：

DMA及通道的优先级

优先级管理采用软件+硬件：
- 软件：每个通道的优先级可以在 DMA_CCRx 寄存器中设置，有 4 个等级
  最高级 > 高级 > 中级 > 低级
- 硬件：如果 2 个请求，它们的软件优先级相同，则较低编号的通道比较高编号的通道有较高的优先权。
  比如：如果软件优先级相同，通道 2 优先于通道 4

DMA传输方式

DMA_Mode_Normal（正常模式）
- 一次 DMA 数据传输完后，停止 DMA 传送，也就是只传输一次
DMA_Mode_Circular（循环传输模式）
当传输结束时，硬件自动会将传输数据量寄存器进行重装，进行下一轮的数据传输。也就是多次传输
模式

指针递增模式

外设和存储器指针在每次传输后可以自动向后递增或保持常量。当设置为增量模式时，下一个要传输的地址
将是前一个地址加上增量值。

7. DMA实验1（内存到内存）

实验要求和配置

使用 DMA 的方式将数组 A 的内容复制到数组 B 中，搬运完之后将数组 B 的内容打印到屏幕。
STM32CubeMx工程配置
重定向 printf 的话记得将下面这个勾打开：

用到的库函数

HAL_DMA_Start

HAL_StatusTypeDef HAL_DMA_Start(DMA_HandleTypeDef *hdma, uint32_t SrcAddress,
uint32_t DstAddress, uint32_t DataLength)

参数一：DMA_HandleTypeDef *hdma，DMA通道句柄
参数二：uint32_t SrcAddress，源内存地址
 参数三：uint32_t DstAddress，目标内存地址
 参数四：uint32_t DataLength，传输数据长度。注意：需要乘以sizeof(uint32_t)
返回值：HAL_StatusTypeDef，HAL状态（OK，busy，ERROR，TIMEOUT）

__HAL_DMA_GET_FLAG

#define __HAL_DMA_GET_FLAG(__HANDLE__, __FLAG__)  (DMA1->ISR &amp; (__FLAG__))

参数一：HANDLE，DMA通道句柄
参数二：FLAG，数据传输标志。DMA_FLAG_TCx表示数据传输完成标志
返回值：FLAG的值（SET/RESET）

代码 实现

开启数据传输
等待数据传输完成
打印数组内容

代码（20.dma_test1/MDK-ARM）

#define BUF_SIZE 16
// 源数组
uint32_t srcBuf[BUF_SIZE] = {
  0x00000000,0x11111111,0x22222222,0x33333333,
  0x44444444,0x55555555,0x66666666,0x77777777,
  0x88888888,0x99999999,0xAAAAAAAA,0xBBBBBBBB,
  0xCCCCCCCC,0xDDDDDDDD,0xEEEEEEEE,0xFFFFFFFF
};
// 目标数组
uint32_t desBuf[BUF_SIZE];
int fputc(int ch, FILE *f)
{   
  unsigned char temp[1]={ch};
  HAL_UART_Transmit(&huart1,temp,1,0xffff); 
  return ch;
}
int main(void)
{
	int i = 0;
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
	// 开启数据传输
	HAL_DMA_Start(&hdma_memtomem_dma1_channel1,
	(uint32_t)srcBuf, (uint32_t)desBuf, sizeof(uint32_t) * BUF_SIZE);
	// 等待数据传输完成
	while(__HAL_DMA_GET_FLAG(&hdma_memtomem_dma1_channel1, DMA_FLAG_TC1) == RESET);
	// 打印数组内容
	for (i = 0; i < BUF_SIZE; i++)
 		printf("Buf[%d] = %xrn", i, desBuf[i]);//x大/小写即输出大/小写
}

在这里插入图片描述

8. DMA实验2（内存到外设）

实验要求和配置

使用DMA的方式将内存数据搬运到串口1发送寄存器，同时闪烁LED1。
STM32CubeMx工程配置

用到的库函数

HAL_UART_Transmit_DMA

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData,
uint16_t Size)

参数一：UART_HandleTypeDef *huart，串口句柄
参数二：uint8_t *pData，待发送数据首地址
参数三：uint16_t Size，待发送数据长度
返回值：HAL_StatusTypeDef，HAL状态（OK，busy，ERROR，TIMEOUT）

代码 实现

准备数据
将数据通过串口DMA发送

代码（20.dma_test2/MDK-ARM）

#define BUF_SIZE 1000
// 待发送的数据
unsigned char sendBuf[BUF_SIZE];
int main(void)
{
	int i = 0;
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
	// 准备数据
	for (i = 0; i < BUF_SIZE; i++)
	  sendBuf[i] = 'B';
	// 将数据通过串口DMA发送
	HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, sendBuf, BUF_SIZE);
	while (1)
	{
	  HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_8);
	  HAL_Delay(100);
	}
}

在这里插入图片描述

9. DMA实验3（外设到内存）

实验要求和配置

使用 DMA 的方式将串口接收缓存寄存器的值搬运到内存中，同时闪烁 LED1。
STM32CubeMx工程配置

用到的库函数

__HAL_UART_ENABLE

#define __HAL_UART_ENABLE_IT(__HANDLE__, __INTERRUPT__)  ((((__INTERRUPT__) >> 28U)
== UART_CR1_REG_INDEX)? ((__HANDLE__)->Instance->CR1 |= ((__INTERRUPT__) &
UART_IT_MASK)): 
                             (((__INTERRUPT__) >> 28U)
== UART_CR2_REG_INDEX)? ((__HANDLE__)->Instance->CR2 |= ((__INTERRUPT__) &
UART_IT_MASK)): 
                             ((__HANDLE__)->Instance-
>CR3 |= ((__INTERRUPT__) & UART_IT_MASK)))

参数一：HANDLE，串口句柄
参数二：INTERRUPT，需要使能的中断
返回值：无
2. HAL_UART_Receive_DMA

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_DMA(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData,
uint16_t Size)

参数一：UART_HandleTypeDef *huart，串口句柄
参数二：uint8_t *pData，接收缓存首地址
参数三：uint16_t Size，接收缓存长度
返回值：HAL_StatusTypeDef，HAL状态（OK，busy，ERROR，TIMEOUT）
3. __HAL_UART_GET_FLAG

#define __HAL_UART_GET_FLAG(__HANDLE__, __FLAG__) (((__HANDLE__)->Instance->SR &
(__FLAG__)) == (__FLAG__))

参数一：HANDLE，串口句柄
参数二：FLAG，需要查看的FLAG
返回值：FLAG的值
4. __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG

#define __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(__HANDLE__) __HAL_UART_CLEAR_PEFLAG(__HANDLE__)

参数一：HANDLE，串口句柄
返回值：无
5. HAL_UART_DMAStop

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAStop(UART_HandleTypeDef *huart)

参数一：UART_HandleTypeDef *huart，串口句柄
返回值：HAL_StatusTypeDef，HAL状态（OK，busy，ERROR，TIMEOUT）
6. __HAL_DMA_GET_COUNTER

#define __HAL_DMA_GET_COUNTER(__HANDLE__) ((__HANDLE__)->Instance->CNDTR)

参数一：HANDLE，串口句柄
返回值：未传输数据大小

代码实现

如何判断串口接收是否完成？如何知道串口收到数据的长度？
使用串口空闲中断（IDLE）！
- 串口空闲时，触发空闲中断；
- 空闲中断标志位由硬件置1，软件清零
利用串口空闲中断，可以用如下流程实现DMA控制的任意长数据接收：

使能 IDLE 空闲中断；
使能 DMA 接收中断；
收到串口接收中断，DMA 不断传输数据到缓冲区；
一帧数据接收完毕，串口暂时空闲，触发串口空闲中断；
在中断服务函数中，清除中断标志位，关闭DMA传输（防止干扰）；
计算刚才收到了多少个字节的数据。
处理缓冲区数据，开启DMA传输，开始下一帧接收。

代码（20.dma_test3/MDK-ARM）
有三个文件需要修改：
main.c

uint8_t rcvBuf[BUF_SIZE];  // 接收数据缓存数组
uint8_t rcvLen = 0; // 接收一帧数据的长度
__HAL_UART_ENABLE_IT(&huart1, UART_IT_IDLE);  // 使能IDLE空闲中断
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1,rcvBuf,100);  // 使能DMA接收中断
while (1)
{
 	HAL_GPIO_TogglePin(GPIOB, GPIO_PIN_8);
  	HAL_Delay(300);
}

main.h

#define BUF_SIZE 100

stm32f1xx_it.c

extern uint8_t rcvBuf[BUF_SIZE];
extern uint8_t rcvLen;
void USART1_IRQHandler(void)
{
	 /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */
	 /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
	  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
	 /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */
	 if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1,UART_FLAG_IDLE) == SET) // 判断IDLE标志位是否被置位
	 {
	   __HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1);// 清除标志位
	   HAL_UART_DMAStop(&huart1); // 停止DMA传输，防止干扰
	   uint8_t temp=__HAL_DMA_GET_COUNTER(&hdma_usart1_rx);        
	   rcvLen = BUF_SIZE - temp; //计算数据长度
	    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, rcvBuf, rcvLen);//发送数据
	   HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rcvBuf, BUF_SIZE);//开启DMA
	 }
	 /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}