stm32_DMA

DMA

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1. 概念与基本原理

DMA，全称Direct Memory Access，即直接存储器访问。它是微控制器（MCU）、嵌入式处理器中的一个独立硬件模块，用于在无需CPU干预的情况下，在不同内存区域（包括外设寄存器和SRAM、Flash等）之间进行数据传输。

基本原理： 在没有DMA的情况下，CPU负责所有的数据传输。例如，从ADC读取数据，CPU需要逐个读取ADC寄存器并将数据拷贝到RAM；向UART发送数据，CPU需要逐个将数据从RAM拷贝到UART发送寄存器。这种方式会占用大量CPU时间，尤其是在高速数据传输或大量数据传输的场景下，会严重影响CPU处理其他任务的效率。

DMA模块的出现，就是为了解决这个问题。当DMA被配置并启动后，CPU只需告诉DMA控制器需要传输的数据源、数据目标、数据量和传输方向，DMA控制器就会接管数据传输任务。CPU可以自由地执行其他指令，只有当DMA传输完成（或发生错误）时，DMA控制器才会通过中断通知CPU。

核心思想： 解放CPU，提高系统效率和吞吐量。

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2. DMA内部结构（可图示）

想象一个DMA控制器的内部结构，它通常包含以下几个关键部分：

+-----------------------------------------------------+
|                  DMA控制器                         |
+-----------------------------------------------------+
|                                                     |
|  1. DMA通道/流 (DMA Channel/Stream)                 |  <-- 每个通道处理一个独立的传输任务
|     +-----------------------------------------+     |
|     |                                         |     |
|     |  源地址寄存器 (Source Address Register) |     |  <-- 数据源地址 (如：外设数据寄存器或RAM地址)
|     |  目标地址寄存器 (Destination Address Register)|     |  <-- 数据目标地址 (如：RAM地址或外设数据寄存器)
|     |  数据量寄存器 (Number of Data Register) |     |  <-- 待传输的数据量
|     |  控制寄存器 (Control Register)          |     |  <-- 配置传输模式、数据宽度、增量模式等
|     +-----------------------------------------+     |
|                                                     |
|  2. 仲裁器 (Arbiter)                                |  <-- 解决多个DMA通道同时请求总线访问时的冲突
|                                                     |
|  3. 总线接口 (Bus Interface)                        |  <-- 连接到系统总线，进行实际的数据读写
|                                                     |
|  4. 中断逻辑 (Interrupt Logic)                      |  <-- 传输完成/错误时生成中断请求
|                                                     |
+-----------------------------------------------------+
        ^                ^
        |                |
        |                |
+-------+-----+  +-------+-----+
|   外设总线    |  |    内存总线   |
| (Peripherals) |  |   (SRAM/Flash)|
+---------------+  +---------------+

关键部件解释：

• DMA通道/流： 大多数微控制器会提供多个独立的DMA通道或流（Stream），每个通道可以独立地配置和启动一个DMA传输任务。例如，一个通道可以用于ADC到RAM的传输，另一个通道用于RAM到UART的传输。

• 源地址寄存器 (Source Address Register - SAR/PAR): 存储数据传输的起始源地址。这可以是内存地址，也可以是外设的数据寄存器地址。

• 目标地址寄存器 (Destination Address Register - DAR/MAR): 存储数据传输的起始目标地址。同样可以是内存地址或外设的数据寄存器地址。

• 数据量寄存器 (Number of Data Register - NDTR/CR): 存储本次DMA传输需要传输的数据单位数量。每传输一个数据单位，此寄存器会自动减1，直到减为0时传输完成。

• 控制寄存器 (Control Register - CR/CCR):

  这是DMA配置的核心。它包含了以下重要配置：

  • 传输模式： 单次传输、循环传输。
  • 数据宽度： 每次传输的数据单位大小（字节、半字、字）。
  • 地址增量模式： 源地址和目标地址在每次传输后是否自动增加（用于连续数据块传输）。
  • 传输方向： 从外设到内存，从内存到外设，或从内存到内存。
  • 优先级： DMA通道之间的优先级。
  • 中断使能： 配置是否在传输完成、一半传输完成、传输错误时触发中断。

• 仲裁器： 当有多个DMA通道或CPU同时需要访问总线时，仲裁器负责决定哪个请求获得总线访问权，以避免冲突。

• 总线接口： DMA控制器通过这个接口与系统总线（如AHB/APB总线）连接，从而可以读写内存和外设寄存器。

• 中断逻辑： DMA传输完成、一半传输完成、传输错误等事件发生时，DMA控制器会生成中断请求，通知CPU进行后续处理。

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3. DMA工作模式与传输类型（可图示）

DMA的工作模式和传输类型决定了DMA如何进行数据传输：

+-------------------------------------------------------+
|                       DMA工作模式/传输类型             |
+-------------------------------------------------------+
|                                                       |
|  1. 传输方向 (Transfer Direction)                     |
|     +-----------------------------------------+       |
|     |                                         |       |
|     |  外设到内存 (Peripheral to Memory)      |       |
|     |    - e.g., ADC数据采集到RAM            |       |
|     |                                         |       |
|     |  内存到外设 (Memory to Peripheral)      |       |
|     |    - e.g., RAM数据发送到UART           |       |
|     |                                         |       |
|     |  内存到内存 (Memory to Memory)          |       |
|     |    - e.g., 快速拷贝内存块             |       |
|     +-----------------------------------------+       |
|                                                       |
|  2. 传输模式 (Transfer Mode)                          |
|     +-----------------------------------------+       |
|     |                                         |       |
|     |  普通模式 (Normal Mode)                 |       |
|     |    - 完成一次指定数量的传输后停止      |       |
|     |                                         |       |
|     |  循环模式 (Circular Mode)               |       |
|     |    - 传输完成后自动重置数据量寄存器    |       |
|     |    - 持续循环传输，无需CPU干预           |       |
|     |    - 适用于连续数据流采集或输出         |       |
|     +-----------------------------------------+       |
|                                                       |
|  3. 地址增量模式 (Address Increment Mode)             |
|     +-----------------------------------------+       |
|     |                                         |       |
|     |  源地址增量 (Peripheral Increment / Memory Increment) |
|     |    - 传输后源地址是否递增              |       |
|     |                                         |       |
|     |  目标地址增量 (Memory Increment / Peripheral Increment) |
|     |    - 传输后目标地址是否递增            |       |
|     |                                         |       |
|     |  不增量 (No Increment)                  |       |
|     |    - 地址保持不变，用于读写固定寄存器   |       |
|     +-----------------------------------------+       |
|                                                       |
|  4. 数据宽度 (Data Width)                             |
|     +-----------------------------------------+       |
|     |                                         |       |
|     |  字节 (Byte - 8-bit)                   |       |
|     |  半字 (Half-Word - 16-bit)              |       |
|     |  字 (Word - 32-bit)                     |       |
|     +-----------------------------------------+       |
|                                                       |
|  5. 中断类型 (Interrupt Type)                         |
|     +-----------------------------------------+       |
|     |                                         |       |
|     |  传输完成中断 (Transfer Complete - TC)  |       |
|     |  半传输完成中断 (Half Transfer - HT)    |       |
|     |  传输错误中断 (Transfer Error - TE)     |       |
|     |  直接模式错误中断 (Direct Mode Error - DME) |
|     +-----------------------------------------+       |
+-------------------------------------------------------+

详细说明：

1. 传输方向： 定义数据从哪里来到哪里去。

2. 传输模式：

   • 普通模式： 传输指定数量的数据后，DMA控制器自动停止并可以触发传输完成中断。
   • 循环模式： 传输指定数量的数据后，DMA控制器会自动重新加载数据量寄存器并继续传输，形成一个循环。常用于连续采集传感器数据或连续发送波形数据。

3. 地址增量模式：

   • 源地址增量： 如果源地址是内存地址，通常会配置为增量，以读取连续的数据块。如果源地址是外设寄存器，通常配置为不增量，因为外设数据寄存器地址通常是固定的。
   • 目标地址增量： 同理。

4. 数据宽度： 指定每次DMA传输的数据单位是8位、16位还是32位。这必须与源和目标数据的实际宽度相匹配。

5. 中断类型：

   DMA控制器可以根据不同的事件触发中断，方便CPU进行处理，例如：

   • 传输完成中断 (TC)： 当所有数据传输完毕时触发。
   • 半传输完成中断 (HT)： 在循环模式下，当一半数据传输完毕时触发，常用于“乒乓操作”，即在一个缓冲器被DMA填充时，CPU可以处理另一个缓冲器的数据。
   • 传输错误中断 (TE)： 在传输过程中发生错误时触发。

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4. DMA操作流程（可图示）

DMA的操作通常遵循以下流程：

+-------------------+
|     开始          |
+-------------------+
        |
        V
+-------------------+
|  1. 初始化DMA外设 |
|    - 使能DMA时钟  |
+-------------------+
        |
        V
+-------------------+
|  2. 配置DMA通道/流 |
|    - 选择DMA通道/流号 |
|    - 配置传输方向   |
|    - 配置数据宽度   |
|    - 配置地址增量模式 |
|    - 配置传输模式（普通/循环）|
|    - 配置优先级     |
|    - 配置中断使能（可选）|
+-------------------+
        |
        V
+-------------------+
|  3. 关联DMA与外设   |
|    - 例如：配置ADC的DMA请求使能位 |
|    - 例如：配置UART的DMA发送/接收使能位 |
+-------------------+
        |
        V
+-------------------+
|  4. 设置DMA传输参数 |
|    - 设置源地址     |
|    - 设置目标地址   |
|    - 设置传输数据量 |
+-------------------+
        |
        V
+-------------------+
|  5. 启动DMA传输     |
|    - 使能DMA通道/流 |
+-------------------+
        |
        V
+-------------------+
|  6. （可选）等待DMA传输完成/处理中断 |
|    - 轮询DMA状态标志 |
|    - 或，等待DMA中断并执行中断服务函数 |
+-------------------+
        |
        V
+-------------------+
|      结束         |
+-------------------+

流程详解：

1. 初始化DMA外设： 使能DMA控制器自身的时钟。
2. 配置DMA通道/流： 这是DMA的核心配置步骤，包括选择合适的通道、传输方向、数据宽度、地址增量方式、传输模式以及中断等。
3. 关联DMA与外设： 这一步至关重要。DMA传输通常是由外设发起的。例如，ADC完成一次转换后会向DMA控制器发出一个请求信号，告知DMA可以传输数据了。因此，需要在外设的配置中使能DMA请求。
4. 设置DMA传输参数： 明确本次DMA传输的数据源地址、目标地址以及总共要传输的数据量。
5. 启动DMA传输： 启用DMA通道/流，使其处于准备就绪状态。一旦外设发出DMA请求，DMA传输就会自动开始。
6. （可选）等待DMA传输完成/处理中断：
   • 轮询： CPU周期性地检查DMA状态寄存器的标志位，判断传输是否完成。这种方式会占用CPU时间。
   • 中断： 更高效的方式。当DMA传输完成、一半完成或发生错误时，DMA控制器会触发中断，CPU跳转到相应的中断服务函数进行处理，然后可以继续执行其他任务。

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5. 完整流程代码案例 (以STM32为例)

这里以STM32微控制器为例，使用HAL库来实现一个简单的DMA功能：通过DMA将ADC采集到的数据自动传输到SRAM中的一个数组中。

硬件连接：

• ADC： 使用STM32F407的ADC1，连接到PA1引脚（模拟输入）。
• DMA： ADC1通常连接到DMA2的Stream0。

开发环境： Keil MDK, STM32CubeMX (用于生成初始化代码)

5.1 STM32CubeMX配置步骤

1. 新建项目并选择芯片。
2. 配置ADC1：
   • Mode: Independent Mode
   • Scan Conversion Mode: Disable (这里只采集一个通道)
   • Continuous Conversion Mode: Enable (连续采集)
   • Discontinuous Conversion Mode: Disable
   • DMA Continuous Request: Enable (关键！使能ADC的DMA请求)
   • Channel Settings:
     • Rank1: PA1 (Channel 1)
     • Sampling Time: 3 Cycles (或其他合适的值)
3. 配置DMA2：
   • 在ADC1设置的DMA Settings中，点击Add。
   • 选择 DMA2 Stream0 (通常ADC1连接到此Stream)。
   • Mode: Normal 或 Circular (这里我们用Circular模式，实现连续数据采集)。
   • Direction: Peripheral to Memory (ADC是外设，RAM是内存)。
   • Data Width: Half Word (ADC是12位，所以选择16位半字传输)。
   • Increment Address: Memory (目标地址是RAM数组，需要递增)。
   • Increment Address: Peripheral (源地址是ADC数据寄存器，通常不递增，但在这里为了配置一致性，选择No Increment更合理，因为ADC数据寄存器地址固定)。
   • Priority: Low (或Default)。
   • Enable Interrupts: 勾选 DMA2 Stream0 global interrupt (传输完成中断)。
4. 时钟配置： 保持默认即可，确保ADC和DMA的时钟都被使能。
5. 生成代码。

5.2 Keil MDK代码实现

在STM32CubeMX生成的基础代码上，我们主要修改 main.c 文件和实现DMA中断服务函数。

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "main.h"
#include  // 用于串口打印，可选
/* USER CODE END Includes */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
ADC_HandleTypeDef hadc1; // ADC句柄
DMA_HandleTypeDef hdma_adc1; // DMA句柄

/* USER CODE BEGIN PV */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
#define ADC_BUFFER_SIZE 10 // 定义ADC数据缓冲区大小
uint16_t adc_values[ADC_BUFFER_SIZE]; // 存储ADC采集数据的数组
volatile uint8_t adc_dma_transfer_complete = 0; // DMA传输完成标志
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_DMA_Init(void);
static void MX_ADC1_Init(void);

/* USER CODE BEGIN PFP */
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/

/* USER CODE END PFP */

/* USER CODE BEGIN 0 */
/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
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_DMA_Init(); // DMA初始化必须在ADC初始化之前，因为ADC初始化会用到DMA句柄
  MX_ADC1_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  // 启动ADC的DMA传输
  // HAL_ADC_Start_DMA(hadc, pData, Length)
  // hadc: ADC句柄
  // pData: 目标数据缓冲区地址
  // Length: 传输数据量
  if (HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_values, ADC_BUFFER_SIZE) != HAL_OK)
  {
    /* Start Error */
    Error_Handler();
  }

  /* USER CODE END 2 */

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

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    if (adc_dma_transfer_complete)
    {
      // DMA传输完成，可以处理采集到的数据了
      // 注意：在循环模式下，这个标志会持续被设置，因为它每次完成一个完整的缓冲区传输就会触发
      // 这里只是简单打印，实际应用中可以进行数据处理、滤波等

      printf("ADC Values: ");
      for (int i = 0; i < ADC_BUFFER_SIZE; i++)
      {
        printf("%d ", adc_values[i]);
      }
      printf("\r\n");

      adc_dma_transfer_complete = 0; // 清除标志
    }

    HAL_Delay(500); // 主循环可以做其他事情，等待DMA中断
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  /* ... (CubeMX生成的时钟配置代码) ... */
}

/**
  * @brief ADC1 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_ADC1_Init(void)
{
  /* ... (CubeMX生成的ADC1初始化代码) ... */
  // 注意，CubeMX会在这个函数中关联DMA句柄：
  // hadc1.DMA_Handle = &hdma_adc1;
  // hdma_adc1.Parent = &hadc1;
}

/**
  * @brief  DMA Initialization Function
  * @param  None
  * @retval None
  */
static void MX_DMA_Init(void)
{
  /* USER CODE BEGIN DMA_Init_First */
  /* USER CODE END DMA_Init_First */

  /* DMA controller clock enable */
  __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE(); // 这一行是CubeMX生成的，使能DMA2时钟

  /* DMA interrupt init */
  /* DMA2_Stream0_IRQn interrupt configuration */
  HAL_NVIC_SetPriority(DMA2_Stream0_IRQn, 0, 0); // 设置DMA中断优先级
  HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA2_Stream0_IRQn); // 使能DMA中断

  /* USER CODE BEGIN DMA_Init_Last */

  /* USER CODE END DMA_Init_Last */
}

/**
  * @brief GPIO Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  /* ... (CubeMX生成的GPIO初始化代码) ... */
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

// DMA传输完成中断回调函数
// 这个函数会在HAL_DMA_IRQHandler中被调用
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(hadc); // 避免编译器警告

  /* NOTE : This function Should not be modified, when the callback is needed,
            the HAL_ADC_ConvCpltCallback could be implemented in the user file.
   */
  adc_dma_transfer_complete = 1; // 设置DMA传输完成标志
}

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  while(1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  * where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{ 
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

中断服务函数 (在 stm32f4xx_it.c 中)

CubeMX会自动生成DMA中断服务函数的框架，你需要在 DMA2_Stream0_IRQHandler 中调用HAL库的DMA处理函数。

/* USER CODE BEGIN Includes */
/* USER CODE END Includes */

/* External variables --------------------------------------------------------*/
extern DMA_HandleTypeDef hdma_adc1; // 声明在main.c中定义的DMA句柄
/* USER CODE BEGIN EV */
/* USER CODE END EV */

/******************************************************************************/
/* Cortex-M4 Processor Interruption and Exception Handlers          */ 
/******************************************************************************/
/**
  * @brief This function handles DMA2 Stream0 global interrupt.
  */
void DMA2_Stream0_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN DMA2_Stream0_IRQn 0 */

  /* USER CODE END DMA2_Stream0_IRQn 0 */
  HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_adc1); // 调用HAL库的DMA中断处理函数
  /* USER CODE BEGIN DMA2_Stream0_IRQn 1 */

  /* USER CODE END DMA2_Stream0_IRQn 1 */
}

/* USER CODE BEGIN 1 */
/* USER CODE END 1 */

5.3 代码解释

• ADC_HandleTypeDef hadc1; DMA_HandleTypeDef hdma_adc1;: 定义了ADC和DMA的HAL库句柄，用于操作对应的外设。
• uint16_t adc_values[ADC_BUFFER_SIZE];: 定义了一个数组，用于存储DMA从ADC传输过来的12位（实际存储在16位uint16_t中）数据。
• volatile uint8_t adc_dma_transfer_complete = 0;: 一个标志位，用于在中断中通知主循环DMA传输完成。volatile关键字很重要，因为它告诉编译器这个变量的值可能在程序执行流程之外（例如中断）被改变。
• MX_DMA_Init();: STM32CubeMX生成的DMA初始化函数，负责使能DMA时钟，配置DMA通道/流的各项参数（方向、数据宽度、地址增量、模式、优先级），并使能中断。
• MX_ADC1_Init();: STM32CubeMX生成的ADC初始化函数，其中会配置ADC的通道、采样时间，并且最重要的是，会关联DMA句柄到ADC句柄 (hadc1.DMA_Handle = &hdma_adc1;)。
• if (HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_values, ADC_BUFFER_SIZE) != HAL_OK):
  • 这是启动DMA传输的关键函数。它告诉HAL库：
    • &hadc1: 使用哪个ADC（以及关联的DMA通道）。
    • (uint32_t*)adc_values: DMA的目标地址，即数据将传输到adc_values数组。注意这里需要强制类型转换为uint32_t*，因为HAL库的设计中，pData参数是uint32_t*，但实际传输的是uint16_t。
    • ADC_BUFFER_SIZE: 传输的数据量。
  • 一旦此函数被调用，并且ADC配置为连续转换模式和DMA请求使能，每当ADC完成一次转换，它就会自动触发DMA将数据从ADC数据寄存器 (ADC1->DR) 传输到adc_values数组中。
• HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc):
  • 这是一个用户自定义的ADC转换完成回调函数。当DMA传输了指定数量的数据（ADC_BUFFER_SIZE）后，DMA会触发一个传输完成中断，进而由HAL库的DMA中断处理函数 (HAL_DMA_IRQHandler) 调用这个回调函数。
  • 在这个回调函数中，我们将adc_dma_transfer_complete标志设置为1，通知主循环有新的数据可用。
• DMA2_Stream0_IRQHandler(void):
  • 这是DMA2 Stream0的中断服务函数。
  • 它由Cortex-M处理器的中断向量表在DMA中断发生时调用。
  • HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_adc1);：这个函数是HAL库提供的通用DMA中断处理程序。它会检查DMA的状态标志，并根据配置调用相应的回调函数（例如本例中的HAL_ADC_ConvCpltCallback）。