DMA技術(shù)原理

DMA，全稱Direct Memory Access，即直接存儲(chǔ)器訪問。

DMA傳輸將數(shù)據(jù)從一個(gè)地址空間復(fù)制到另一個(gè)地址空間，提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。 我們知道CPU有轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)、計(jì)算、控制程序轉(zhuǎn)移等很多功能，系統(tǒng)運(yùn)作的核心就是CPU，CPU無時(shí)不刻的在處理著大量的事務(wù)，但有些事情卻沒有那么重要，比方說數(shù)據(jù)的復(fù)制和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如果我們把這部分的CPU資源拿出來，讓CPU去處理其他的復(fù)雜計(jì)算事務(wù)，是不是能夠更好的利用CPU的資源呢？ 因此：轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)（尤其是轉(zhuǎn)移大量數(shù)據(jù)）是可以不需要CPU參與。比如希望外設(shè)A的數(shù)據(jù)拷貝到外設(shè)B，只要給兩種外設(shè)提供一條數(shù)據(jù)通路，直接讓數(shù)據(jù)由A拷貝到B不經(jīng)過CPU的處理。

DMA就是基于以上設(shè)想設(shè)計(jì)的，它的作用就是解決大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過度消耗CPU資源的問題。有了DMA使CPU更專注于更加實(shí)用的操作–計(jì)算、控制等。

01DMA定義：

DMA用來提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。無須CPU的干預(yù)，通過DMA數(shù)據(jù)可以快速地移動(dòng)。這就節(jié)省了CPU的資源來做其他操作。

02DMA傳輸方式

DMA的作用就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接傳輸，而去掉了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸需要CPU寄存器參與的環(huán)節(jié)，主要涉及四種情況的數(shù)據(jù)傳輸，但本質(zhì)上是一樣的，都是從內(nèi)存的某一區(qū)域傳輸?shù)絻?nèi)存的另一區(qū)域（外設(shè)的數(shù)據(jù)寄存器本質(zhì)上就是內(nèi)存的一個(gè)存儲(chǔ)單元）。四種情況的數(shù)據(jù)傳輸如下：

外設(shè)到內(nèi)存

內(nèi)存到外設(shè)

內(nèi)存到內(nèi)存

外設(shè)到外設(shè)

03DMA傳輸參數(shù)

我們知道，數(shù)據(jù)傳輸，首先需要的是1數(shù)據(jù)的源地址，2數(shù)據(jù)傳輸位置的目標(biāo)地址，3傳遞數(shù)據(jù)多少的數(shù)據(jù)傳輸量，4進(jìn)行多少次傳輸?shù)膫鬏斈Ｊ?，DMA所需要的核心參數(shù)，便是這四個(gè)。

當(dāng)用戶將參數(shù)設(shè)置好，主要涉及源地址、目標(biāo)地址、傳輸數(shù)據(jù)量這三個(gè)，DMA控制器就會(huì)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)剩余傳輸數(shù)據(jù)量為0時(shí) 達(dá)到傳輸終點(diǎn)，結(jié)束DMA傳輸 ，當(dāng)然，DMA 還有循環(huán)傳輸模式當(dāng)?shù)竭_(dá)傳輸終點(diǎn)時(shí)會(huì)重新啟動(dòng)DMA傳輸。也就是說只要剩余傳輸數(shù)據(jù)量不是0，而且DMA是啟動(dòng)狀態(tài)，那么就會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸。

04DMA的主要特征

每個(gè)通道都直接連接專用的硬件DMA請(qǐng)求，每個(gè)通道都同樣支持軟件觸發(fā)。這些功能通過軟件來配置：

在同一個(gè)DMA模塊上，多個(gè)請(qǐng)求間的優(yōu)先權(quán)可以通過軟件編程設(shè)置（共有四級(jí)：很高、高、中等和低），優(yōu)先權(quán)設(shè)置相等時(shí)由硬件決定（請(qǐng)求0優(yōu)先于請(qǐng)求1，依此類推）；

獨(dú)立數(shù)據(jù)源和目標(biāo)數(shù)據(jù)區(qū)的傳輸寬度（字節(jié)、半字、全字），模擬打包和拆包的過程。源和目標(biāo)地址必須按數(shù)據(jù)傳輸寬度對(duì)齊；

支持循環(huán)的緩沖器管理；

每個(gè)通道都有3個(gè)事件標(biāo)志（DMA半傳輸、DMA傳輸完成和DMA傳輸出錯(cuò)），這3個(gè)事件標(biāo)志邏輯或成為一個(gè)單獨(dú)的中斷請(qǐng)求；

存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器間的傳輸、外設(shè)和存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器和外設(shè)之間的傳輸；

閃存、SRAM、外設(shè)的SRAM、APB1、APB2和AHB外設(shè)均可作為訪問的源和目標(biāo)；

可編程的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)目：最大為65535。

05STM32少個(gè)DMA資源？

對(duì)于大容量的STM32芯片有2個(gè)DMA控制器，DMA1有7個(gè)通道，DMA2有5個(gè)通道。每個(gè)通道都可以配置一些外設(shè)的地址。

①DMA1 controller從外設(shè)（TIMx[x=1、2、3、4]、ADC1、SPI1、SPI/I2S2、I2Cx[x=1、2]和USARTx[x=1、2、3]）產(chǎn)生的7個(gè)DMA請(qǐng)求，通過邏輯或輸入到DMA1控制器，其中每個(gè)通道都對(duì)應(yīng)著具體的外設(shè)：

② DMA2 controller從外設(shè)（TIMx[5、6、7、8]、ADC3、SPI/I2S3、UART4、DAC通道1、2和SDIO）產(chǎn)生的5個(gè)請(qǐng)求，經(jīng)邏輯或輸入到DMA2控制器，其中每個(gè)通道都對(duì)應(yīng)著具體的外設(shè)：

這些在下方系統(tǒng)框圖中也可以清晰地看到。

06DMA工作系統(tǒng)框圖

上方的框圖，我們可以看到STM32內(nèi)核，存儲(chǔ)器，外設(shè)及DMA的連接，這些硬件最終通過各種各樣的線連接到總線矩陣中，硬件結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移都經(jīng)過總線矩陣的協(xié)調(diào)，使各個(gè)外設(shè)和諧的使用總線來傳輸數(shù)據(jù)。我們對(duì)他來進(jìn)行一點(diǎn)一點(diǎn)的分析： 下面看有與沒有DMA的情況下，ADC采集的數(shù)據(jù)是怎樣存放到SRAM中的？沒有DMA：如果沒有DMA，CPU傳輸數(shù)據(jù)還要以內(nèi)核作為中轉(zhuǎn)站，比如要將ADC采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到到SRAM中，這個(gè)過程是這樣的： 內(nèi)核通過DCode經(jīng)過總線矩陣協(xié)調(diào)，從獲取AHB存儲(chǔ)的外設(shè)ADC采集的數(shù)據(jù)，然后內(nèi)核再通過DCode經(jīng)過總線矩陣協(xié)調(diào)把數(shù)據(jù)存放到內(nèi)存SRAM中。

在這里插入圖片描述

有DMA傳輸：有DMA的話，

DMA傳輸時(shí)外設(shè)對(duì)DMA控制器發(fā)出請(qǐng)求。

DMA控制器收到請(qǐng)求，觸發(fā)DMA工作。

DMA控制器從AHB外設(shè)獲取ADC采集的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到DMA通道中。

DMA控制器的DMA總線與總線矩陣協(xié)調(diào)，使用AHB把外設(shè)ADC采集的數(shù)據(jù)經(jīng)由DMA通道存放到SRAM中，這個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸過程中，完全不需要內(nèi)核的參與，也就是不需要CPU的參與。

在這里插入圖片描述

我們把上面的步驟專業(yè)一點(diǎn)介紹： 在發(fā)生一個(gè)事件后，外設(shè)向DMA控制器發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)。DMA控制器根據(jù)通道的優(yōu)先權(quán)處理請(qǐng)求。當(dāng)DMA控制器開始訪問發(fā)出請(qǐng)求的外設(shè)時(shí)，DMA控制器立即發(fā)送給它一個(gè)應(yīng)答信號(hào)。當(dāng)從DMA控制器得到應(yīng)答信號(hào)時(shí)，外設(shè)立即釋放它的請(qǐng)求。一旦外設(shè)釋放了這個(gè)請(qǐng)求，DMA控制器同時(shí)撤銷應(yīng)答信號(hào)。DMA傳輸結(jié)束，如果有更多的請(qǐng)求時(shí)，外設(shè)可以啟動(dòng)下一個(gè)周期。 總之，每次DMA傳送由3個(gè)操作組成：

從外設(shè)數(shù)據(jù)寄存器或者從當(dāng)前外設(shè)/存儲(chǔ)器地址寄存器指示的存儲(chǔ)器地址取數(shù)據(jù)，第一次傳輸時(shí)的開始地址是DMA_CPARx或DMA_CMARx寄存器指定的外設(shè)基地址或存儲(chǔ)器單元；

存數(shù)據(jù)到外設(shè)數(shù)據(jù)寄存器或者當(dāng)前外設(shè)/存儲(chǔ)器地址寄存器指示的存儲(chǔ)器地址，第一次傳輸時(shí)的開始地址是DMA_CPARx或DMA_CMARx寄存器指定的外設(shè)基地址或存儲(chǔ)器單元；

執(zhí)行一次DMA_CNDTRx寄存器的遞減操作，該寄存器包含未完成的操作數(shù)目。

07DMA傳輸方式

方法1：DMA_Mode_Normal，正常模式

當(dāng)一次DMA數(shù)據(jù)傳輸完后，停止DMA傳送 ，也就是只傳輸一次。方法2：DMA_Mode_Circular ，循環(huán)傳輸模式當(dāng)傳輸結(jié)束時(shí)，硬件自動(dòng)會(huì)將傳輸數(shù)據(jù)量寄存器進(jìn)行重裝，進(jìn)行下一輪的數(shù)據(jù)傳輸。也就是多次傳輸模式。

08仲裁器

仲裁器的作用是確定各個(gè)DMA傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)。 仲裁器根據(jù)通道請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)來啟動(dòng)外設(shè)/存儲(chǔ)器的訪問。 優(yōu)先權(quán)管理分2個(gè)階段： 軟件：每個(gè)通道的優(yōu)先權(quán)可以在DMA_CCRx寄存器中設(shè)置，有4個(gè)等級(jí)：

最高優(yōu)先級(jí)

高優(yōu)先級(jí)

中等優(yōu)先級(jí)

低優(yōu)先級(jí)；

硬件：如果2個(gè)請(qǐng)求有相同的軟件優(yōu)先級(jí)，則較低編號(hào)的通道比較高編號(hào)的通道有較高的優(yōu)先權(quán)。比如：如果軟件優(yōu)先級(jí)相同，通道2優(yōu)先于通道4。 注意：在大容量產(chǎn)品和互聯(lián)型產(chǎn)品中，DMA1控制器擁有高于DMA2控制器的優(yōu)先級(jí)。

09DMA數(shù)據(jù)流

（僅存在于STM32F4 /M4 內(nèi)核上）

在設(shè)置了DMA的通道之后，還要選擇通道對(duì)應(yīng)外設(shè)的數(shù)據(jù)流。

8 個(gè) DMA 控制器數(shù)據(jù)流都能夠提供源和目標(biāo)之間的單向傳輸鏈路。每個(gè)數(shù)據(jù)流配置后都可以執(zhí)行：●常規(guī)類型事務(wù)：存儲(chǔ)器到外設(shè)、外設(shè)到存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的傳輸。●雙緩沖區(qū)類型事務(wù)：使用存儲(chǔ)器的兩個(gè)存儲(chǔ)器指針的雙緩沖區(qū)傳輸（當(dāng) DMA 正在進(jìn)行自/至緩沖區(qū)的讀/寫操作時(shí)，應(yīng)用程序可以進(jìn)行至/自其它緩沖區(qū)的寫/讀操作）。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（多達(dá) 65535）可以編程，并與連接到外設(shè) AHB 端口的外設(shè)（請(qǐng)求 DMA 傳輸）的源寬度相關(guān)。每個(gè)事務(wù)完成后，包含要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)項(xiàng)總量的寄存器都會(huì)遞減。 DMA_SxCR 寄存器控制數(shù)據(jù)流到底使用哪一個(gè)通道，每個(gè)數(shù)據(jù)流有 8 個(gè)通道可 供選擇，每次只能選擇其中一個(gè)通道進(jìn)行 DMA 傳輸。接下來，我們看看 DMA2 的各數(shù)據(jù)流通 道映射表，如表 28.1.1 所示：

10DMA傳輸通道

每個(gè)通道都可以在有固定地址的外設(shè)寄存器和存儲(chǔ)器地址之間執(zhí)行DMA傳輸。DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 量是可編程的，大達(dá)到65535。包含要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)項(xiàng)數(shù)量的寄存器，在每次傳輸后遞減。

可編程的數(shù)據(jù)量：外設(shè)和存儲(chǔ)器的傳輸數(shù)據(jù)量可以通過DMA_CCRx寄存器中的PSIZE和MSIZE位編程。

11指針遞增模式

根據(jù) DMA_SxCR 寄存器中 PINC 和 MINC 位的狀態(tài)，外設(shè)和存儲(chǔ)器指針在每次傳輸后可以自動(dòng)向后遞增或保持常量。當(dāng)設(shè)置為增量模式時(shí)，下一個(gè)要傳輸?shù)牡刂穼⑹乔耙粋€(gè)地址加上增量值。

通過單個(gè)寄存器訪問外設(shè)源或目標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，禁止遞增模式十分有用。 如果使能了遞增模式，則根據(jù)在 DMA_SxCR 寄存器 PSIZE 或 MSIZE 位中編程的數(shù)據(jù)寬度，下一次傳輸?shù)牡刂穼⑹乔耙淮蝹鬏數(shù)牡刂愤f增 1個(gè)數(shù)據(jù)寬度、2個(gè)數(shù)據(jù)寬度或 4個(gè)數(shù)據(jù)寬度。

12存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器模式

DMA通道的操作可以在沒有外設(shè)請(qǐng)求的情況下進(jìn)行，這種操作就是存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器模式。

當(dāng)設(shè)置了DMA_CCRx寄存器中的MEM2MEM位之后，在軟件設(shè)置了DMA_CCRx寄存器中的EN位啟動(dòng)DMA通道時(shí)，DMA傳輸將馬上開始。當(dāng)DMA_CNDTRx寄存器變?yōu)?時(shí)，DMA傳輸結(jié)束。存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器模式不能與循環(huán)模式同時(shí)使用。 這里要注意僅 DMA2 的外設(shè)接口可以訪問存儲(chǔ)器，所以僅 DMA2 控制器支持存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器的傳輸，DMA1 不支持。 存儲(chǔ)器到存儲(chǔ)器模式不能與循環(huán)模式同時(shí)使用。

13DMA中斷

每個(gè)DMA通道都可以在DMA傳輸過半、傳輸完成和傳輸錯(cuò)誤時(shí)產(chǎn)生中斷。為應(yīng)用的靈活性考慮，通過設(shè)置寄存器的不同位來打開這些中斷。

使沒開啟，我們也可以通過查詢這些位來獲得當(dāng)前 DMA 傳輸?shù)臓顟B(tài)。這里我們常用的是 TCIFx位，即數(shù)據(jù)流 x 的 DMA 傳輸完成與否標(biāo)志。 可編程的數(shù)據(jù)傳輸寬度、對(duì)齊方式和數(shù)據(jù)大小端 當(dāng)PSIZE和MSIZE不相同時(shí)，DMA模塊按照下圖進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊。 注意：在大容量產(chǎn)品中， DMA2 通道 4 和 DMA2 通道 5 的中斷被映射在同一個(gè)中斷向量上。在互聯(lián)型產(chǎn)品中， DMA2 通道 4 和 DMA2 通道 5 的中斷分別有獨(dú)立的中斷向量。所有其他的 DMA 通道都有自己的中斷向量。

14DMA的內(nèi)存占用

在STM32控制器中，芯片采用Cortex-MX架構(gòu)，總線結(jié)構(gòu)有了很大的優(yōu)化，DMA占用另外的地址總線，并不會(huì)與CPU的系統(tǒng)總線發(fā)生沖突。也就是說，DMA的使用不會(huì)影響CPU的運(yùn)行速度。

但是要注意：DMA 控制器和Cortex-M3核共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線執(zhí)行直接存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)CPU和DMA同時(shí)訪問相同的目標(biāo)(RAM或外設(shè))時(shí)，DMA請(qǐng)求可能會(huì)停止 CPU訪問系統(tǒng)總線達(dá)若干個(gè)周期，總線仲裁器執(zhí)行循環(huán)調(diào)度，以保證CPU至少可以得到一半的系統(tǒng)總線(存儲(chǔ)器或外設(shè))帶寬。

DMA配置部分我們分為DMA寄存器和DMA庫函數(shù)分別介紹：

15DMA寄存器

DMA配置參數(shù)包括：通道地址、優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)傳輸方向、存儲(chǔ)器/外設(shè)數(shù)據(jù)寬度、存儲(chǔ)器/外設(shè)地址是否增量、循環(huán)模式、數(shù)據(jù)傳輸量。

16DMA中斷狀態(tài)寄存器(DMA_ISR)

我們?nèi)绻_啟了 DMA_ISR 中這些中斷，在達(dá)到條件后就會(huì)跳到中斷服務(wù)函數(shù)里面去，即使 沒開啟，我們也可以通過查詢這些位來獲得當(dāng)前 DMA 傳輸?shù)臓顟B(tài)。這里我們常用的是 TCIFx， 即通道 DMA 傳輸完成與否的標(biāo)志。 注意此寄存器為只讀寄存器，所以在這些位被置位之后，只能通過其他的操作來清除。

17DMA中斷標(biāo)志清除寄存器

(DMA_IFCR)

DMA_IFCR 的各位就是用來清除 DMA_ISR 的對(duì)應(yīng)位的，通過寫 0 清除。在 DMA_ISR 被置位后，我們必須通過向該位寄存器對(duì)應(yīng)的位寫入 0 來清除。

18DMA通道x配置寄存器

(DMA_CCRx)

該寄存器控制著 DMA 的很多相關(guān)信息，包括數(shù)據(jù)寬度、外設(shè)及存儲(chǔ)器的寬度、通道優(yōu)先級(jí)、增量模式、傳輸方向、中斷允許、 使能等都是通過該寄存器來設(shè)置的。所以 DMA_CCRx 是 DMA 傳輸?shù)暮诵目刂萍拇嫫?

19DMA通道x傳輸數(shù)量寄存器

(DMA_CNDTRx)(x = 1…7)

這個(gè)寄存器控制 DMA 通道 x 的每次傳輸所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。其設(shè)置范圍為 0~65535。并且該寄存器的值會(huì)隨著傳輸?shù)倪M(jìn)行而減少，當(dāng)該寄存器的值為 0 的時(shí)候就代表此次數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)全部發(fā)送完成了。所以可以通過這個(gè)寄存器的值來知道當(dāng)前 DMA 傳輸?shù)倪M(jìn)度。

20DMA通道x外設(shè)地址寄存器

(DMA_CPARx)(x = 1…7)

該寄存器用來存儲(chǔ) STM32 外設(shè)的地址，比如我們使用串口 1，那么該寄存器必須寫入 0x40013804（其實(shí)就是&USART1_DR）。如果使用其他外設(shè)，就修改成相應(yīng)外設(shè)的地址就行了。

21DMA通道x配置寄存器

（DMA_CMARx）

該寄存器和 DMA_CPARx 差不多，但是是用來放存儲(chǔ)器的地址的。比如我們使用 SendBuf[5200]數(shù)組來做存儲(chǔ)器，那么我們?cè)?DMA_CMARx 中寫入&SendBuff 就可以了。

22DMA寄存器配置流程

通道配置過程 下面是配置DMA通道x的過程(x代表通道號(hào))：

在DMA_CPARx寄存器中設(shè)置外設(shè)寄存器的地址。發(fā)生外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)，這個(gè)地址將是數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑椿蚰繕?biāo)。

在DMA_CMARx寄存器中設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址。發(fā)生外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)將從這個(gè)地址讀出或?qū)懭脒@個(gè)地址。

在DMA_CNDTRx寄存器中設(shè)置要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。在每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸后，這個(gè)數(shù)值遞減。

在DMA_CCRx寄存器的PL[1:0]位中設(shè)置通道的優(yōu)先級(jí)。

在DMA_CCRx寄存器中設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉⒀h(huán)模式、外設(shè)和存儲(chǔ)器的增量模式、外設(shè)和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度、傳輸一半產(chǎn)生中斷或傳輸完成產(chǎn)生中斷。

設(shè)置DMA_CCRx寄存器的ENABLE位，啟動(dòng)該通道。

一旦啟動(dòng)了DMA通道，它既可響應(yīng)連到該通道上的外設(shè)的DMA請(qǐng)求。當(dāng)傳輸一半的數(shù)據(jù)后，半傳輸標(biāo)志(HTIF)被置1，當(dāng)設(shè)置了允許半傳輸中斷位(HTIE)時(shí)，將產(chǎn)生 一個(gè)中斷請(qǐng)求。在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，傳輸完成標(biāo)志(TCIF)被置1，當(dāng)設(shè)置了允許傳輸完成中斷位 (TCIE)時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求。

審核編輯 ：李倩