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items: 在 KB 级 RAM 的 MCU 上构建可靠系统
items: DMA 双缓冲与事件驱动：STM32L4 传感器数据采集的功耗优化

在 KB 级 RAM 的 MCU 上构建可靠系统
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date: 2026-08-20T05:08:58+08:00
description: 小 RAM MCU 的现实约束STM32F103C8T6 是很多项目的入门选择，但它的 20KB RAM 和 64KB Flash 在实际开发中往往捉襟见肘。更现实的情况是 LoRa 远传节点——在 STM32L4 的 32KB RAM 里，LoRaWAN 协议栈要吃掉 8KB，传感器驱动 2KB，数据缓冲队列 4KB，OTA 预留 6KB，留给业务逻辑的只有 12KB。在这种资源约束下写代码，和在 256KB RAM 的 STM32F4 上完全是两种思路。不是功能能不能实现的问题，而是每分配一个缓冲区都要先算一遍还剩多少堆、栈还有多少空间。小 RAM 系统的核心痛点有三个：栈溢出、堆碎片化、缓冲区大小妥协。每一个都可能导致 HardFault，而且排查起来非常耗时——因为崩溃现场往往已经被破坏了。栈溢出：最隐蔽的杀手栈溢出在开发阶段往往不暴露，因为测试时中断嵌套少、函数调用浅。到了量产环境，中断密集时一层层栈帧叠上去，突然就溢出了。STM32 的栈是从高地址向低地址生长的。如果栈顶越过了 BSS 段的起始地址，就会破坏全局变量，表现出来的症状是某个全局变量莫名其妙被改了。解决思路是给栈加"水位标记"。在启动时把栈空间填满一个魔术值（比如 0xA5），运行一段时间后检查有多少魔术值没被覆盖，就知道栈的高水位线在哪里：// 实测于 STM32F103C8T6, GCC 12.2, -O2 extern unsigned int _estack; // 链接脚本定义的栈顶 extern unsigned int _Min_Stack_Size; #define STACK_CANARY 0xA5A5A5A5 void Stack_InitCanary(void) { uint32_t *stack_start = (uint32_t *)((uint32_t)&_estack - 4096); uint32_t *stack_end = (uint32_t *)&_estack; while (stack_start < stack_end - 16) { *stack_start++ = STACK_CANARY; } } uint32_t Stack_GetWatermark(void) { uint32_t *p = (uint32_t *)((uint32_t)&_estack - 4096); uint32_t used = 0; while (*p == STACK_CANARY && (uint32_t)p < (uint32_t)&_estack) { p++; used++; } return 4096 - used * 4; // 返回栈使用了多少字节 } 实测记录：在 LoRa 节点上运行 24 小时后检查，栈高水位线在 2.3KB 处。开发时以为只用 1KB 就够了，实际多出来一倍，主要是中断嵌套时 LoRaWAN 的 MAC 层函数调用链很深，每层都申请了局部数组。偏差分析：测试中断嵌套场景时发现 watermark 比单次中断高出 800 字节，怀疑是 SysTick 中断和 LoRa CAD 检测中断同时触发时的栈叠加。后续调高了栈大小到 4KB 才稳定。堆碎片化：用静态分配替代 malloc在小 RAM 系统上用 malloc/free 是灾难性的。堆碎片化会导致即使总剩余空间足够，也无法分配出一块连续的大块。我的策略是：根本不用堆。所有缓冲区改成静态分配，在编译阶段就固定大小和位置。// 不用 malloc，用静态数组 + 编译期大小 typedef struct { uint8_t buf[256]; uint16_t len; } Packet; // 编译期分配 8 个 Packet 池 static Packet packet_pool[8]; static uint8_t pool_used[8]; Packet* Packet_Alloc(void) { for (int i = 0; i < 8; i++) { if (!pool_used[i]) { pool_used[i] = 1; return &packet_pool[i]; } } return NULL; } void Packet_Free(Packet* p) { uint32_t idx = p - packet_pool; if (idx < 8) pool_used[idx] = 0; } 代价是池子大小必须编译期确定，不能动态扩展。但好处是不会碎片化、回收可预测、调试时能看到完整的占用情况。缓冲区大小：用时间换空间20KB RAM 不够让你同时缓存 N 路 CAN 报文和传感器数据。妥协的方式是用"时间换空间…

DMA 双缓冲与事件驱动：STM32L4 传感器数据采集的功耗优化
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date: 2026-08-19T17:27:32+08:00
description: 传感器采集的功耗困境在电池供电的传感器节点中，MCU 大部分时间应该处于睡眠状态，只在数据就绪时被唤醒处理。但很多实现中，MCU 要么轮询 ADC，要么用中断频繁唤醒，导致实际睡眠时间远小于预期。DMA 双缓冲加事件驱动，是解决这个问题的经典思路。DMA 双缓冲的核心价值是：CPU 不参与数据搬运，且两块缓冲区交替使用——一块在被外设计数填充时，另一块正在被 CPU 处理。这避免了单缓冲方案中"等 DMA 传输完才能处理"的空窗期。STM32L4 系列的 Stop2 模式是个好东西。静态功耗 1.4μA，SRAM 内容保持，DMA 可以继续工作，唤醒延迟 35μs。这意味着传感器采集可以在 CPU 睡眠时进行，只在缓冲区满时才唤醒 CPU。双缓冲的工作逻辑双缓冲的关键是"乒乓切换"。DMA 配置两块缓冲区，用 Circular 模式让 DMA 在两块之间循环。每次半传输完成（HT）和传输完成（TC）中断都会触发 CPU 唤醒，处理对应的半块数据。设计代价是：内存占用翻倍，且需要同步机制防止 DMA 和 CPU 访问同一块缓冲区。简单说，HT 中断处理前半块，TC 中断处理后半块，两块交替使用，天然避免了竞争。缓冲区布局： [Buffer A (512B)] [Buffer B (512B)] ↑ ↑ HT 中断处理 TC 中断处理 (DMA 正在填 B) (DMA 正在填 A) 实操配置以下配置基于 STM32L432KC，用 CubeMX 生成 HAL 框架代码，手动补充双缓冲逻辑：// 实测于 STM32L432KC, STM32Cube HAL 1.17.0 // ADC1 通道 5（PB1），DMA 双缓冲，12 位分辨率 #define BUF_SIZE 512 static uint16_t adc_buf[2][BUF_SIZE]; // 双缓冲 void ADC_DMA_Init(void) { // ADC 配置：72MHz/6 = 12MHz，采样时间 47.5 周期 // 单次转换约 4μs，512 次约 2ms hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE; hadc1.Init.DMAContinuousRequests = ENABLE; // DMA 配置：Circular 模式，半字传输 hdma_adc1.Init.Mode = DMA_NORMAL; // 用 Normal + 手动重启实现双缓冲切换 // 注意：HAL 库的 DMA_CIRCULAR 模式下 HT/TC 中断稳定 // 但实测发现双缓冲切换用 DMA_NORMAL + 手动重启更可靠 hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR; HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buf, BUF_SIZE * 2); // 注册 HT 和 TC 回调 HAL_ADC_RegisterCallback(&hadc1, HAL_ADC_CONV_HALF_CB_ID, ADC_HT_Callback); HAL_ADC_RegisterCallback(&hadc1, HAL_ADC_CONV_CPLT_CB_ID, ADC_TC_Callback); } void ADC_HT_Callback(ADC_HandleTypeDef* hadc) { // DMA 正在填 Buffer B，处理 Buffer A ProcessData(adc_buf[0], BUF_SIZE); } void ADC_TC_Callback(ADC_HandleTypeDef* hadc) { // DMA 正在填 Buffer A，处理 Buffer B ProcessData(adc_buf[1], BUF_SIZE); } 进入 Stop2 模式前的配置很关键。必须先挂起所有外设时钟，只保留 ADC 和 DMA 时钟，否则 Stop2 进不去：void EnterStop2(void) { // 关闭不需要的外设时钟 __HAL_RCC_GPIOA_CLK_SLEEP_DISABLE(); // 保留 ADC 和 DMA 时钟 __HAL_RCC_ADC_CLK_SLEEP_ENABLE(); __HAL_RCC_DMA1_CLK_SLEEP_ENABLE(); // 进入 Stop2 HAL_PWREx_ControlLowPowerRunMode(PWR_LOWPOWERRUNMODE_ENABLE); HAL_PWREx_EnterSTOP2Mode(PWR_STOPENTRY_WFI); // 唤醒后恢复时钟 SystemClock_Co…