STM32F103标准库USART3 DMA收发实战：彻底解放CPU

简介：这份资源面向嵌入式开发初学者与中级工程师，聚焦STM32F103标准库下USART3的DMA收发实现，帮助解决串口通信中CPU占用高、实时性不足的问题。包内共171个文件，以c源码、h头文件、s汇编启动文件为主，辅以o目标文件、crf编译中间文件、uvproj与uvopt工程配置、hex烧录文件及map映射文件等，压缩包约3.41MB，构成一套可直接编译的Keil工程模板。内容围绕DMA通道选择、传输方向与源目标地址配置、USART3时钟与波特率设置、DMA请求使能、传输完成与错误中断处理等关键环节展开，并给出初始化、启动传输与中断回调的软件流程。已有3312人学习下载，适合希望掌握标准库DMA串口收发、对照工程模板快速搭建实验环境并排查传输异常的开发者参考。

1. 串口收包还在死等中断？这套 DMA 方案让 CPU 彻底解放

如果你用 STM32F103 做过串口通信，大概率经历过这样的场景：主循环里塞了一个while(USART_GetFlagStatus(USART3, USART_FLAG_RXNE) == RESET)，波特率一高、数据一多，CPU 就被拖死在轮询里，稍微加点别的任务就开始丢字节。更别提用中断逐字节收，每来一个字节进一次中断，115200 波特率下每秒上万次中断，主循环基本别想干正事了。

这个项目就是冲着这个痛点来的：在 STM32F103 上用标准库（Standard Peripheral Library）配置 USART3，收发全部走 DMA 通道，CPU 只在数据搬完之后处理一次，中间完全不参与字节搬运。它适合正在做多串口数据采集、Modbus 通信、上位机指令解析的嵌入式开发者，尤其是那些主控资源紧张、又不想上 RTOS 的场景。整套代码基于标准库而非 HAL，对习惯寄存器级控制的开发者更友好，移植到同系列芯片也直接可用。

2. 架构拆解：USART3 与 DMA1 的通道映射关系

2.1 为什么是 USART3 配 DMA1 的这两个通道

STM32F103 的 DMA 控制器分 DMA1 和 DMA2，其中 DMA1 有 7 个通道，每个通道固定映射到特定的外设请求。USART3 的收发请求在 DMA1 上的映射是硬连线的，不能随便换通道：

这个映射关系在参考手册的 DMA 请求映射表里写死了，配错通道 DMA 请求根本不会触发，现象就是「代码看着没问题但一个字节都收不到」。我见过有人把 RX 配到 Channel 2，调了一下午以为是波特率问题，血泪经验。

发送方向是「存储器到外设」，DMA 从你给的缓冲区里读数据，逐个写到USART3->DR；接收方向是「外设到存储器」，每收到一个字节，USART3 向 DMA 发一次请求，DMA 把USART3->DR的值搬到你的缓冲区。两个方向互不干扰，可以同时开启。

2.2 整体数据流与中断分工

整个方案的数据流是这样的：

• 发送链路：应用层把待发数据放进USART3_TX_BUF，调用发送函数 → 配置 DMA 传输长度 → 使能 DMA 通道 → DMA 自动把数据搬到 USART3 数据寄存器 → 搬完后触发 DMA 传输完成中断 → 在中断里关闭通道、置发送完成标志。
• 接收链路：USART3 每收到一个字节触发 DMA 请求 → DMA 把字节搬到USART3_RX_BUF→ 收满预设长度后触发 DMA 传输完成中断 → 在中断里置接收完成标志，应用层轮询这个标志来处理数据。

关键点在于：CPU 只在「一整包数据搬完」时进一次中断，而不是每个字节进一次。这就是 DMA 方案相比中断收发的核心优势。

提示：接收用 DMA 传输完成中断，前提是你知道每包数据的固定长度。如果是变长协议（比如 Modbus RTU 靠 3.5 字符间隔断帧），需要额外配合 USART 的空闲中断（IDLE）来判断一帧结束，这个后面在改造章节会讲。

2.3 缓冲区设计：双缓冲与长度约束

缓冲区大小直接决定了单次能收发的最大数据量。DMA 的传输长度寄存器DMA_CNDTRx是 16 位的，所以单次传输最大 65535 字节。实际项目里一般不会开这么大，按协议最大帧长来定就行。

#define USART3_TX_BUF_SIZE 256 #define USART3_RX_BUF_SIZE 256 u8 USART3_TX_BUF[USART3_TX_BUF_SIZE]; u8 USART3_RX_BUF[USART3_RX_BUF_SIZE]; volatile u8 usart3_tx_done = 1; // 发送完成标志，1 表示空闲 volatile u8 usart3_rx_done = 0; // 接收完成标志

这里usart3_tx_done初值设为 1，表示上电后发送通道空闲，可以直接发第一包。usart3_rx_done初值 0，等 DMA 收满一包后在中断里置 1。两个标志都用volatile修饰，防止编译器优化掉中断里的修改。

缓冲区建议用全局数组而不是局部变量，因为 DMA 传输是异步的，函数返回后局部数组就失效了，DMA 还在往里搬数据，这就是典型的踩坑点。

3. 初始化实战：从 GPIO 到 DMA 的完整配置链路

3.1 GPIO 与 USART3 复用配置

USART3 的默认引脚是 PB10（TX）和 PB11（RX）。F103 上 USART3 还可以重映射到 PC10/PC11 或 PD8/PD9，这里用默认引脚。

void USART3_GPIO_Config(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // 使能 GPIOB 和 USART3 时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USART3, ENABLE); // PB10 - TX，复用推挽输出 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); // PB11 - RX，浮空输入或上拉输入 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); }

TX 引脚必须配成GPIO_Mode_AF_PP（复用推挽），配成普通推挽输出的话 USART 外设根本控制不了这个引脚。RX 配浮空输入即可，如果线路干扰大可以改成上拉输入。时钟这里有个容易翻车的点：USART3 挂在 APB1 上，要用RCC_APB1PeriphClockCmd，而 GPIOB 挂在 APB2 上，用RCC_APB2PeriphClockCmd。两个总线搞混了，外设就是不动。

3.2 USART3 参数初始化

void USART3_Config(void) { USART_InitTypeDef USART_InitStructure; USART_InitStructure.USART_BaudRate = 115200; USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; USART_Init(USART3, &USART_InitStructure); // 使能 USART3 的 DMA 发送和接收请求 USART_DMACmd(USART3, USART_DMAReq_Tx | USART_DMAReq_Rx, ENABLE); // 使能 USART3 USART_Cmd(USART3, ENABLE); }

USART_DMACmd这一句是很多人漏掉的关键步骤。它负责打开 USART3 内部的 DMA 请求开关，不调用的话，USART3 收到数据也不会向 DMA 发请求，DMA 自然一动不动。参数USART_DMAReq_Tx | USART_DMAReq_Rx表示收发两个方向的 DMA 请求都使能。

波特率 115200 是常见默认值，改波特率直接改USART_BaudRate字段即可，标准库会根据 APB1 时钟自动算分频。注意 APB1 时钟默认是 36MHz，如果你改了系统时钟树，要确认RCC_GetClocksFreq算出来的 APB1 频率是对的，否则波特率会有偏差。

3.3 DMA1 通道配置（收发分开）

DMA 的配置分发送通道（Channel 2）和接收通道（Channel 3），两者结构类似但方向和外设地址不同。

void USART3_DMA_Config(void) { DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure; // 使能 DMA1 时钟 RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); // ===== 发送通道 DMA1_Channel2 ===== DMA_DeInit(DMA1_Channel2); DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&USART3->DR; DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)USART3_TX_BUF; DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; // 存储器 -> 外设 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = USART3_TX_BUF_SIZE; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte; DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium; DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; DMA_Init(DMA1_Channel2, &DMA_InitStructure); // ===== 接收通道 DMA1_Channel3 ===== DMA_DeInit(DMA1_Channel3); DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&USART3->DR; DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)USART3_RX_BUF; DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC; // 外设 -> 存储器 DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = USART3_RX_BUF_SIZE; DMA_Init(DMA1_Channel3, &DMA_InitStructure); // 配置 DMA 传输完成中断（接收通道） DMA_ITConfig(DMA1_Channel3, DMA_IT_TC, ENABLE); NVIC_Configuration(); }

逐项说明关键参数：

• DMA_PeripheralBaseAddr固定为&USART3->DR，因为收发都是通过这一个数据寄存器。
• DMA_DIR是方向控制，发送用DMA_DIR_PeripheralDST（外设做目的地），接收用DMA_DIR_PeripheralSRC（外设做源）。
• DMA_PeripheralInc必须Disable，外设地址固定不变；DMA_MemoryInc必须Enable，存储器地址要递增，否则所有字节都堆在缓冲区第一个位置。
• DMA_Mode_Normal表示搬完设定长度就停，适合定长收发。如果要循环接收（比如环形缓冲），改成DMA_Mode_Circular。
• DMA_M2M_Disable关闭存储器到存储器模式，串口通信必须关掉。

接收通道的中断配置里，DMA_ITConfig(DMA1_Channel3, DMA_IT_TC, ENABLE)打开传输完成中断，这样收满一包后能通知应用层。

3.4 NVIC 中断优先级配置

void NVIC_Configuration(void) { NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel3_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); }

DMA1_Channel3 的中断向量是DMA1_Channel3_IRQn，别写成 Channel2 的。优先级分组用NVIC_PriorityGroup_2，抢占优先级 1、子优先级 0，这个优先级在大多数项目里够用。如果你的系统里还有更紧急的中断（比如电机控制 PWM），把 DMA 接收中断的抢占优先级调低一些。

4. 收发核心逻辑：中断服务函数与状态机

4.1 发送函数：启动 DMA 并等待完成

u8 USART3_SendData(u8 *buf, u16 len) { if (len > USART3_TX_BUF_SIZE) return 1; // 超长直接拒绝 if (usart3_tx_done == 0) return 2; // 上一包还没发完 usart3_tx_done = 0; // 拷贝数据到发送缓冲区 memcpy(USART3_TX_BUF, buf, len); // 关闭通道后才能改传输长度 DMA_Cmd(DMA1_Channel2, DISABLE); DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel2, len); DMA_Cmd(DMA1_Channel2, ENABLE); return 0; }

这个函数做了三件事：长度校验、状态检查、启动 DMA。返回值 0 表示成功，1 表示数据超长，2 表示发送通道忙。调用方根据返回值决定是重试还是丢弃。

关键细节：修改DMA_CNDTRx之前必须先关闭通道。DMA 通道在使能状态下，传输长度寄存器是只读的，直接写不进去。所以顺序一定是「关通道 → 设长度 → 开通道」。这个顺序搞反了，现象是发送长度永远是上次的值，或者干脆发不出去。

4.2 发送完成中断处理

void DMA1_Channel2_IRQHandler(void) { if (DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC2) != RESET) { DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC2); DMA_Cmd(DMA1_Channel2, DISABLE); // 搬完关通道 usart3_tx_done = 1; // 置空闲标志 } }

发送完成中断里做两件事：关通道、置标志。关通道是为了下次发送时能重新设置长度。标志置 1 后，应用层就知道可以发下一包了。

注意这里用的是DMA1_IT_TC2，对应 Channel 2 的传输完成标志。中断服务函数名DMA1_Channel2_IRQHandler必须和启动文件里的向量表名字完全一致，拼错了就进不了中断。

4.3 接收完成中断与数据处理

void DMA1_Channel3_IRQHandler(void) { if (DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC3) != RESET) { DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC3); DMA_Cmd(DMA1_Channel3, DISABLE); usart3_rx_done = 1; // 通知应用层有完整一包数据 } }

接收中断和发送中断结构一样，区别在于接收完成后置的是usart3_rx_done。应用层在主循环里轮询这个标志：

int main(void) { USART3_GPIO_Config(); USART3_DMA_Config(); USART3_Config(); // 启动接收 DMA，等待第一包数据 DMA_Cmd(DMA1_Channel3, ENABLE); while (1) { if (usart3_rx_done) { usart3_rx_done = 0; // 处理 USART3_RX_BUF 里的数据 ProcessPacket(USART3_RX_BUF, USART3_RX_BUF_SIZE); // 重新启动接收 DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel3, USART3_RX_BUF_SIZE); DMA_Cmd(DMA1_Channel3, ENABLE); } // 其他任务照常跑，CPU 不被串口占用 } }

主循环里处理完一包数据后，要重新设置接收长度并重新使能通道，准备接下一包。这个「处理完再重启」的模式适合定长协议。如果是变长协议，处理逻辑要配合空闲中断，下一章会讲。

注意：ProcessPacket里如果处理时间较长，期间来的数据会丢失，因为 DMA 通道还没重新使能。对实时性要求高的场景，建议用双缓冲或者环形缓冲 + 空闲中断。

5. 避坑与排查：那些让 DMA 串口「装死」的细节

5.1 一个字节都收不到

现象：代码编译通过，串口助手发数据，接收缓冲区始终是初始值，usart3_rx_done永远为 0。

原因：最常见的是 DMA 通道映射搞错。USART3_RX 必须用 DMA1_Channel3，配成 Channel2 或别的通道，DMA 请求根本不会触发。其次是漏了USART_DMACmd(USART3, USART_DMAReq_Rx, ENABLE)，USART 内部的 DMA 请求开关没打开。

解决：对照参考手册的 DMA 请求映射表确认通道号，检查USART_DMACmd是否调用，检查DMA_Cmd(DMA1_Channel3, ENABLE)是否执行。

5.2 只能收到第一个字节

现象：发一串数据，只有第一个字节正确，后面的全是 0 或者乱码。

原因：DMA_MemoryInc配成了Disable，DMA 每次搬运都写到缓冲区同一个地址，后面的字节把第一个覆盖了。或者DMA_PeripheralDataSize和DMA_MemoryDataSize配成了 HalfWord/Word，而串口是 8 位数据。

解决：确认DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable，两个 DataSize 都配成DMA_PeripheralDataSize_Byte和DMA_MemoryDataSize_Byte。

5.3 发送一次后再也发不出去

现象：第一包数据发送正常，第二包调用发送函数返回 2（忙），或者干脆没反应。

原因：发送完成中断没进，usart3_tx_done一直是 0。可能是中断向量名写错、NVIC 没使能、或者忘了在中断里清标志位导致反复进中断但逻辑不对。

解决：检查DMA1_Channel2_IRQHandler拼写，确认NVIC_Init里DMA1_Channel2_IRQn使能，确认中断里调用了DMA_ClearITPendingBit。

5.4 数据错位或偶尔丢包

现象：大部分数据正确，偶尔出现字节错位或整包丢失。

原因：接收处理期间 DMA 通道关闭，新来的数据无人接收。或者发送时没等上一包完成就修改了缓冲区。

解决：接收侧改用双缓冲或环形缓冲，配合 USART 空闲中断；发送侧严格检查usart3_tx_done标志，不要在忙的时候 memcpy 覆盖发送缓冲区。

5.5 波特率偏差导致乱码

现象：数据能收到但全是乱码，或者高波特率下误码率明显。

原因：系统时钟配置和标准库计算的 APB1 频率不一致，导致 USART 分频值算错。

解决：用示波器量一下 TX 引脚的实际波特率，或者打印RCC_GetClocksFreq的结果确认 APB1 频率。F103 在 72MHz 系统时钟下 APB1 是 36MHz，如果外部晶振不是 8MHz，要在system_stm32f10x.c里改HSE_VALUE。

6. 二次开发改造：变长协议与环形缓冲的落地思路

定长收发在实际项目里其实不多见，大部分协议是变长的。比如 Modbus RTU 靠帧间隔断帧，自定义协议靠帧头帧尾。这时候纯 DMA 传输完成中断就不够用了，需要引入USART 空闲中断（IDLE）。

思路是这样的：DMA 配成DMA_Mode_Circular或者保持 Normal 但缓冲区开大，同时打开 USART3 的 IDLE 中断。每收到一帧数据，总线空闲时触发 IDLE 中断，在中断里读取 DMA 剩余传输数量DMA_GetCurrDataCounter(DMA1_Channel3)，用「缓冲区总长 - 剩余数量」算出这一帧的实际长度。

void USART3_IRQHandler(void) { if (USART_GetITStatus(USART3, USART_IT_IDLE) != RESET) { // 清除 IDLE 标志：先读 SR 再读 DR volatile u16 tmp; tmp = USART3->SR; tmp = USART3->DR; (void)tmp; // 计算本帧长度 u16 remain = DMA_GetCurrDataCounter(DMA1_Channel3); u16 recv_len = USART3_RX_BUF_SIZE - remain; if (recv_len > 0) { // 标记本帧有效，交给应用层处理 usart3_rx_len = recv_len; usart3_rx_done = 1; } // 重启 DMA 接收 DMA_Cmd(DMA1_Channel3, DISABLE); DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel3, USART3_RX_BUF_SIZE); DMA_Cmd(DMA1_Channel3, ENABLE); } }

这里有个细节：清 IDLE 标志必须「先读 SR 再读 DR」，这是 F103 的硬件要求，只读 SR 清不掉。我一般会用一个volatile临时变量接一下，防止编译器把读操作优化掉。

再进一步，如果数据量大、处理耗时，可以把接收缓冲区做成环形缓冲，DMA 配成循环模式，应用层按读指针取数据。这样 DMA 永远在收，不会因为处理慢而丢包。环形缓冲的读写指针要注意原子性，单生产者（DMA 中断）单消费者（主循环）的场景下，读写指针各自只被一方修改，不需要加锁，但指针类型要用volatile并且保证读写顺序。

改造完之后，验证方法很简单：用串口助手发不同长度的数据帧，看usart3_rx_len是否和实际发送长度一致；再连续快速发多帧，看有没有丢帧。我习惯在ProcessPacket里加一个帧计数器，跑一晚上看计数和发送端是否对得上。

从那以后我每次配 DMA 串口，都强制走一遍「时钟 → GPIO → USART → DMA 通道 → NVIC → 中断向量名」的检查清单，尤其是通道映射和USART_DMACmd这两步，翻车太多次了。希望帮到你。

本文还有配套的精品资源，点击获取