Vì sao thêm HAL_Delay() thì UART mới nhận được dữ liệu – hiểu đúng về volatile và tối ưu hóa compiler

Chương trình

#include "main.h"
#include "ThuVien_UART.h"


/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
UART_HandleTypeDef huart1;

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
// Bien Global de xu li module USART
char temp_char;
bool flag_rx_done = false;
char BufferData[30];


void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if(huart->Instance == USART1) {
    // Ham nhan chuoi du lieu
    strcpy(BufferData, receive_string(temp_char)); 
    
    // Bat interrupt cho ki tu tiep theo
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t *)&temp_char, 1);
    }
}

int main(void) {
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

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

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();

  start_receive_string(); // Ham bat dau nhan du lieu

  /* Infinite loop */
  while (1) {
      // điều kiện đúng khi flax_rx_done = true;
        if (flag_rx_done) {
            flag_rx_done = 0;
            send_string("Received: ");
            send_string(BufferData);
            send_string("\r\n");
        }
        HAL_Delay(1000);
  }
}

Tại khi khi bỏ HAL_DELAY(1000) thì không nhận được chuỗi user nhập từ terminal.

Trước tiên ta sẽ nói về flag_rx_done là một biến toàn cục, được sử dụng để nhận biết được quá trình nhận dữ liệu từ terminal đã kết thúc.

• Khi đó flax_rx_done = true.

Ban đầu, compiler nhận thấy

flax_rx_done chỉ được thay đổi trong main().

→ Vậy cho nên

• Mỗi lần while(1) lặp lại, giá trị của flag_rx_done chắn chắc không thay đổi, vì trong main() không có ai sửa nó.
• Do đó, để tối ưu hiệu năng, chỉ cần đọc flag_rx_done chỉ một lần từ RAM và lưu trữ vào trong 1 thanh ghi bất kì của CPU, ví dụ ở đây là r3 .

Sau đó mỗi lần, while(1) chạy lại thì chỉ cần đọc r3 chứ không phải từ RAM nữa.

💡 Vấn đề

• ISR thay đổi flag_rx_done trong RAM (set = 1).
• Nhưng CPU đang đọc r2 (thanh ghi), không đọc lại từ RAM → không thấy thay đổi. → Vậy điều kiện trong while(1) sẽ không bao giờ được thực thi.

Do đó ta cần thêm từ khóa volatile vào trước bool flag_rx_done để vdk là phải đọc từ RAM mỗi khi truy cập vào flax_rx_done.

Vậy điều gì xảy ra khi ta thêm HAL_Delay() thì mọi thứ lại hoạt động

• HAL_Delay() hoạt động dựa trên interrupt systemtick của hệ thống. Khi ngắt xảy ra CPU sẽ lưu trữ mọi thứ trên stack(RAM ) - context switch để đi vào ISR và thực thi. Khi thực thi xong ISR, thì CPU sẽ load lại giá trị của các thanh ghi từ RAM.
• Và compiler không thể đảm bảo các thanh ghi đều "đúng", nên có đọc lại các biến global từ RAM → Điều này đã giúp cập nhập giá trị của flag_rx_done = true, giúp chương trình có thể nhận dữ liệu từ terminal và xử lí bình thường, nhưng cho dù là vậy thì về nguyên tắc vẫn hk chính xác.