UART 드라이버 구현 — polling·interrupt·DMA 3가지 방식 비교
#한 줄 요약
“Polling은 단순, interrupt는 균형, DMA는 throughput.” UART 드라이버 세 변종은 각각 다른 trade-off를 다룹니다.
#어떤 상황에서 쓰나
UART는 임베디드의 lingua franca입니다. printf 디버깅, sensor 통신, GPS 수신, BLE module 제어, console — 거의 모든 보드에 한 두 채널은 살아 있습니다. 같은 peripheral이라도 언제 어떻게 사용하느냐에 따라 polling, interrupt, DMA 세 방식을 선택합니다.
이 글은 STM32 USART를 기준으로 세 방식의 드라이버 코드를 모두 작성하고, 각각의 성능과 CPU 부담을 비교합니다.
#핵심 개념
#USART register (STM32F4)
| Register | 역할 |
|---|---|
CR1 | enable (UE), word length (M), TE/RE, RXNEIE, TXEIE, TCIE |
CR2 | stop bits, clock polarity |
CR3 | flow control (CTS/RTS), DMA enable |
BRR | baud rate divider |
SR | RXNE, TXE, TC, ORE, FE, PE flags |
DR | data register (read=RX, write=TX) |
STM32F7/H7/G0/G4 등 신규는 register 이름이 약간 다릅니다 (ISR, RDR, TDR, ICR).
#Baud rate 계산
USARTDIV = f_pclk / (8 × (2 - OVER8) × baud)
OVER8 = 0 (16x oversample, default) → USARTDIV = f_pclk / (16 × baud)
예) PCLK1 = 42 MHz, baud = 115200 USARTDIV = 42000000 / (16 × 115200) ≈ 22.7864
Mantissa = 22 = 0x16 Fraction = round(0.7864 × 16) = 13 = 0xD BRR = (0x16 << 4) | 0xD = 0x16D대부분의 STM32 HAL은 자동 계산해 줍니다. 직접 작성 시 반올림 오차가 ±2% 안에 들어와야 합니다.
#세 방식의 trade-off
| 방식 | CPU 사용량 | latency | throughput | 복잡도 |
|---|---|---|---|---|
| Polling | 매우 높음 (waste) | 매우 빠름 | 낮음 | 단순 |
| Interrupt | 중간 (ISR overhead) | 빠름 | 중간 | 보통 |
| DMA | 가장 낮음 | 약간 느림 (DMA setup) | 가장 높음 | 복잡 |
DMA는 연속 바이트 처리량에서 압도적이지만, setup overhead 때문에 짧은 전송에는 오히려 손해입니다.
#코드 예제
#1. Polling UART
void uart_init_polling(uint32_t baud, uint32_t pclk) { RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN; RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_GPIOAEN;
// PA9 TX, PA10 RX (AF7) gpio_init(GPIOA, 9, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .speed=GPIO_SPEED_HIGH, .af=7}); gpio_init(GPIOA, 10, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .pull=GPIO_PULL_UP, .af=7});
USART1->BRR = (pclk + baud / 2) / baud; // round USART1->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;}
void uart_putc(char c) { while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // wait TX buffer empty USART1->DR = c;}
int uart_getc(void) { while (!(USART1->SR & USART_SR_RXNE)); // block until RX return USART1->DR;}
void uart_puts(const char *s) { while (*s) uart_putc(*s++);}단순합니다. 단점은 TX/RX 동안 CPU를 묶는다는 점. printf 한 줄로 수 ms를 날립니다.
#2. Interrupt + ring buffer
#define RX_BUF_SIZE 256#define TX_BUF_SIZE 256
static volatile uint8_t rx_buf[RX_BUF_SIZE];static volatile uint16_t rx_head, rx_tail;static volatile uint8_t tx_buf[TX_BUF_SIZE];static volatile uint16_t tx_head, tx_tail;
void uart_init_int(uint32_t baud, uint32_t pclk) { // ... GPIO + clock 동일 USART1->BRR = (pclk + baud / 2) / baud; USART1->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE | USART_CR1_RXNEIE; NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 8); NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);}
void USART1_IRQHandler(void) { uint32_t sr = USART1->SR;
// RX if (sr & USART_SR_RXNE) { uint8_t c = USART1->DR; uint16_t next = (rx_head + 1) % RX_BUF_SIZE; if (next != rx_tail) { rx_buf[rx_head] = c; rx_head = next; } // else overflow — drop }
// TX if ((sr & USART_SR_TXE) && (USART1->CR1 & USART_CR1_TXEIE)) { if (tx_tail != tx_head) { USART1->DR = tx_buf[tx_tail]; tx_tail = (tx_tail + 1) % TX_BUF_SIZE; } else { USART1->CR1 &= ~USART_CR1_TXEIE; // empty — disable } }}
int uart_putc_nb(char c) { uint16_t next = (tx_head + 1) % TX_BUF_SIZE; if (next == tx_tail) return -1; // full tx_buf[tx_head] = c; tx_head = next; USART1->CR1 |= USART_CR1_TXEIE; return 0;}
int uart_getc_nb(void) { if (rx_head == rx_tail) return -1; uint8_t c = rx_buf[rx_tail]; rx_tail = (rx_tail + 1) % RX_BUF_SIZE; return c;}이제 main loop은 다른 일을 하면서도 UART RX를 놓치지 않습니다.
#3. DMA UART
static uint8_t dma_rx_buf[256];static uint8_t dma_tx_buf[256];
void uart_init_dma(uint32_t baud, uint32_t pclk) { // GPIO + USART1 enable 동일 USART1->BRR = (pclk + baud / 2) / baud; USART1->CR1 = USART_CR1_UE | USART_CR1_TE | USART_CR1_RE; USART1->CR3 = USART_CR3_DMAT | USART_CR3_DMAR;
RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_DMA2EN;
// RX DMA — Stream 2, Channel 4, USART1_RX, circular DMA2_Stream2->CR = 0; while (DMA2_Stream2->CR & DMA_SxCR_EN); DMA2_Stream2->PAR = (uint32_t)&USART1->DR; DMA2_Stream2->M0AR = (uint32_t)dma_rx_buf; DMA2_Stream2->NDTR = sizeof(dma_rx_buf); DMA2_Stream2->CR = (4u << 25) // channel 4 | DMA_SxCR_CIRC // circular | DMA_SxCR_MINC // memory inc | DMA_SxCR_EN;
// TX DMA — Stream 7, Channel 4, USART1_TX, normal DMA2_Stream7->CR = 0; while (DMA2_Stream7->CR & DMA_SxCR_EN); DMA2_Stream7->PAR = (uint32_t)&USART1->DR; DMA2_Stream7->CR = (4u << 25) | DMA_SxCR_DIR_0 // mem → peripheral | DMA_SxCR_MINC | DMA_SxCR_TCIE; NVIC_EnableIRQ(DMA2_Stream7_IRQn);}
void uart_send_dma(const uint8_t *buf, uint16_t len) { while (DMA2_Stream7->CR & DMA_SxCR_EN); // wait previous DMA2_Stream7->NDTR = len; DMA2_Stream7->M0AR = (uint32_t)buf; DMA2->HIFCR = 0x3F << 22; // clear flags DMA2_Stream7->CR |= DMA_SxCR_EN;}RX는 circular mode로 두면 DMA가 알아서 ring buffer처럼 돌립니다. main은 NDTR을 폴링해 얼마나 들어왔는지 파악합니다.
#측정 / 동작 확인
오실로스코프 + 로직 애널라이저로 TX 핀을 보면 byte 사이 gap이 명확합니다.
Polling 모드, 115200 baud (8N1, 87 µs per byte):TX: byte | gap 0~5 µs | byte | gap 0~5 µs | ... ← back-to-back
Interrupt 모드:TX: byte | gap 3~10 µs (ISR overhead) | byte | ...
DMA 모드:TX: byte | gap < 1 µs | byte | ... ← 거의 perfect back-to-backthroughput 측정은 1KB 전송 시간을 비교합니다.
| Mode | 1 KB @ 115200 | CPU 점유율 |
|---|---|---|
| Polling | 89.0 ms | 100% |
| Interrupt | 89.5 ms | ~5% |
| DMA | 89.0 ms | < 1% |
baud rate가 한계를 정하므로 시간은 비슷하지만, CPU가 자유롭다는 점에서 DMA가 압도적입니다.
#자주 보는 함정
⚠️ Baud rate 오차 > 2%
수신 측이 동일 clock으로 sample 하려면 ±2% 안에 들어와야 합니다. HSI 16 MHz로 ±1% 보장이 어렵습니다. 정확한 baud가 필요하면 HSE crystal을 씁니다.
⚠️ ORE (overrun) flag 무시
수신이 너무 빠르면 ORE가 set되고 그 이후 RXNE가 안 들어옵니다. ISR에서 ORE를 명시적으로 clear해야 합니다 (F4는 SR read → DR read 순서).
⚠️ Ring buffer head/tail이 atomic하지 않음
ARM은 32-bit access가 atomic이라 16-bit head/tail은 안전합니다. 그러나 64-bit 또는 struct는 critical section이 필요합니다.
⚠️ TXE와 TC 혼동
TXE = TX buffer empty (다음 데이터 넣어도 됨). TC = transmission complete (마지막 bit까지 나간 뒤). half-duplex나 RS-485 enable line 제어에는 TC를 봐야 합니다.
⚠️ DMA TX 끝나기 전에 다시 enable
while (DMA->CR & EN) 폴링을 빼먹으면 DMA가 중간에 끊깁니다. flush 또는 TC interrupt로 동기화합니다.
⚠️ Flow control이 없는 상태에서 high-speed
921600+ baud에 hardware CTS/RTS 없으면 RX overflow가 빈번. CR3의 CTSE/RTSE를 enable합니다.
#정리
- Polling은 단순하고 latency가 낮지만 CPU를 묶습니다. 부트로더·디버그에 적합.
- Interrupt + ring buffer는 일반 용도 표준. RX overflow 처리 필수.
- DMA는 throughput 최고, CPU 부담 최소. circular RX + linear TX가 표준 패턴.
- Flag clear 순서(SR read → DR read)는 STM32 F1/F4 패밀리의 함정입니다.
- baud rate 정확도가 ±2% 안에 들어오는지 항상 검증합니다.
다음 편은 SPI 드라이버입니다. CPOL/CPHA, multi-slave CS, full-duplex DMA를 다룹니다.
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