[STM32] 13. UART Interrupt 구현

UART 통신에서 Polling 방식은 간단하지만 효율성이 떨어질 수 있다. 이를 해결하기 위해 Interrupt 방식과 DMA 방식을 사용할 수 있다. 이 번 포스팅은 Interrupt 방식을 통해 이 전 포스팅인 Polling 방식 기능을 그대로 구현하는 방식으로 진행한다.

이전 포스팅 : https://blog.naver.com/younjung1996/223477638132

12. STM32 시리얼 모니터를 위한 UART 통신 구현 (2)

사용된 보드는 STM32F103이며, UART 1번을 사용한다. (PA10 - UART1_RX, PA9 - UART1_TX) 

📌 1. Polling 방식의 문제점

• CPU 자원 소모: Polling 방식에서는 CPU가 지속적으로 UART 상태 레지스터를 확인해야 한다. 이는 CPU 자원을 많이 소모하여 다른 작업을 수행할 시간이 줄어든다.
• 응답 시간 지연: 데이터가 준비될 때까지 대기해야 하므로, 실시간 응답이 필요한 시스템에서는 비효율적이다.
• 전력 소모: CPU가 계속해서 UART 상태를 확인해야 하므로, 저전력 모드로 전환하기 어렵다.

📌 2. Interrupt 방식

Interrupt 방식은 UART 전송이나 수신이 완료될 때마다 인터럽트가 발생하여, 인터럽트 서비스 루틴(ISR)이 실행되어 데이터를 처리한다. 이는 Polling 방식의 문제점을 해결할 수 있다.

장점

• 효율적인 CPU 사용: 데이터 전송이나 수신이 완료될 때까지 CPU가 다른 작업을 수행할 수 있다.
• 실시간 처리: 데이터 전송이나 수신이 완료될 때 즉시 인터럽트가 발생하여 실시간으로 데이터를 처리할 수 있다.
• 전력 절감: CPU가 필요할 때만 깨어나므로, 저전력 모드로 전환하기 쉽다.

단점

• 구현 복잡성: 인터럽트 기반 코드는 Polling 방식보다 구현이 다소 복잡할 수 있다.
• 인터럽트 오버헤드: 인터럽트가 빈번하게 발생하면 인터럽트 오버헤드가 발생할 수 있다.

⚙️ 3. 레지스터 설정

[Pin&Out Configuration] - [Connectivity] - [USART1]을 설정하는 것은 이전 포스팅(Polling 방식)과 동일하다. 다만, 차이가 있다면 global interrupt를 활성화시켜 주어야 한다.

[Pin&Out Configuration] - [System Core] - [NVIC] - [USART1 global Interrupt] - Enabled 체크

위 처럼 설정을 완료했다면, UART Interrupt를 사용할 준비가 끝났다. 

⚙️ 4. 코드

[Core] -[Src] - [stm32f1xx_it.c 파일]에 USART1_IRQHandler 함수에 UART1이 연결되어있는 것을 확인할 수 있다. 해당 함수에서 인터럽트 핸들러에 직접 코드를 작성하여 수동으로 관리할 수 있으나 복잡성이 증가할 수 있고, 다른 STM32 시리즈에서는 사용할 수 없는 문제가 발생할 수 있으므로 이는 추천하지 않는 방법이다.

/**
  * @brief This function handles USART1 global interrupt.
  */
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 */

  /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

추천하는 방법으로 HAL 라이브러리가 아래와 같이 제공하는 하드웨어 인터페이스를 사용하는 것이다. (이번 포스팅은 HAL_UART_RxCpltCallback 콜백함수만 사용할 예정이다.)

HAL_UART_RxCpltCallback, HAL_UART_TxCpltCallback

콜백함수의 장점은 아래와 같다.

• 추상화와 유연성: HAL 라이브러리는 하드웨어 추상화 계층을 제공하여 다양한 STM32 장치에서 일관된 인터페이스를 제공한다. HAL_UART_RxCpltCallback을 사용하면 코드가 더 유연하고 이식성이 높아진다.
• 안정성: HAL 라이브러리는 많은 경우에 대해 이미 검증되어 있으며, 잘 테스트된 코드를 제공한다. 직접 인터럽트 핸들러에서 코드를 작성하는 것보다 안정적이다.
• 코드 유지보수: 콜백을 사용하면 코드가 더 모듈화되어 유지보수가 용이하다. 인터럽트 핸들러는 보통 HAL 라이브러리에서 관리하므로, 콜백 함수만 관리하면 된다.
• 중첩 인터럽트 관리: HAL 라이브러리는 중첩 인터럽트를 관리하는 기능을 제공하므로, 콜백 함수 내에서 추가적인 처리를 수행할 때 안전하다.
  
  콜백함수 사용하는 방법은 간단하다. 
  
  

• 

[Driver] - [stm32f1xx_hal_uart.c]에서 정의된 콜백함수를 찾을 수 있다.

/**
  * @brief  Rx Transfer completed callbacks.
  * @param  huart  Pointer to a UART_HandleTypeDef structure that contains
  *                the configuration information for the specified UART module.
  * @retval None
  */
__weak void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(huart);
  /* NOTE: This function should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_UART_RxCpltCallback could be implemented in the user file
   */
}

해당 콜백함수를 main 함수에서 재정의하여 사용하면 된다.

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
// Define buffer
#define MAX_BUFFER_SIZE 100
uint8_t enterKey = '\r'; // Enter key is carriage return (0x0D)
uint8_t inputBuffer[MAX_BUFFER_SIZE];
uint16_t bufferIndex = 0;
uint8_t received_byte;

...
...
...

int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &received_byte, 1);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

...
...
...

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        if (received_byte == enterKey)
        {
            // 스페이스바 입력 시 버퍼에 저장된 문자열 출력
        	HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, inputBuffer, bufferIndex);
            // 새로운 줄 추가
            uint8_t newline[] = "\r\n";
            HAL_UART_Transmit_IT(&huart1, newline, 2);
            // 버퍼 인덱스 초기화
            bufferIndex = 0;
        }
        else
        {
            // 버퍼에 문자 저장
            if (bufferIndex < MAX_BUFFER_SIZE)
            {
                inputBuffer[bufferIndex++] = received_byte;
            }
        }

        // 다음 문자 수신 시작
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &received_byte, 1);
    }
}

// UART transmit complete callback function
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
	/* Reserved */
}
/* USER CODE END 4 */

테스트했을 때 제대로 동작하는 것을 확인할 수 있다.

HAL_UART_RxCpltCallback를 재정의 해주면, 간단하게 UART Interrupt를 구현할 수 있다. 

다음 포스팅은 UART Interrupt 동작 순서에 대해 자세히 포스팅해볼 예정이다.