玩轉(zhuǎn)單片機(jī)的重要功能-DMA，你的MCU編程設(shè)計(jì)有可能成為卷王！

直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)控制器，可以在內(nèi)存和/或外設(shè)之間傳輸數(shù)據(jù)，而不需要CPU參與每次傳輸。合理利用DMA控制器,可以減輕CPU的負(fù)擔(dān)。本文通過介紹DMA結(jié)構(gòu)與工作原理，以及兩種模式（兵乓模式與多數(shù)據(jù)包緩沖傳輸模式），來看看使用DMA如何提高MCU效率。

DMA結(jié)構(gòu)與工作原理

先進(jìn)的DMA控制器，如STMicroelectronics的STM32F4系列中包含的控制器，可以通過靈活的數(shù)據(jù)流分配和傳輸管理功能進(jìn)一步減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

如圖左側(cè)所示，來自8個(gè)不同的通道DMA請求，并到仲裁器上，從而建立優(yōu)先級(jí)(編號(hào)較低的輸入通道，具有較高的優(yōu)先級(jí))。然后激活最高優(yōu)先級(jí)的傳輸，傳輸?shù)綀D中右側(cè)的兩個(gè)AHB 主設(shè)備（存儲(chǔ)器端口和外設(shè)接口），提高了外設(shè)到存儲(chǔ)器傳輸?shù)男?。這可能是DMA在基于CPU的設(shè)計(jì)中最常見的情況。

圖 1. STM32F4系列DMA控制器(圖片來源于STMicroelectronics)

為每個(gè)路徑分配單獨(dú)的FIFO，如圖1中間所示，允許針對每個(gè)外設(shè)接口的特性調(diào)整FIFO特性。例如，F(xiàn)IFO的閾值級(jí)別(請求傳輸?shù)纳疃?可以單獨(dú)設(shè)置為FIFO大小的?，?或?。這允許低速通道等待，直到FIFO幾乎滿了才進(jìn)行傳輸，以最小化開銷。更快的通道會(huì)更早地啟動(dòng)傳輸，可能只有一半大小，以避免FIFO溢出。

我們來通過一個(gè)實(shí)例，來看看DMA怎么工作的。

實(shí)例：“使用 STM32 來控制 NeoPixels LED”

硬件部分采用STM32 開發(fā)板，與 NeoPixelLED、燈帶、矩陣等相連接。

RGB NeoPixels實(shí)際上是WS2812智能控制LED。下面是WS2812 LED的3字節(jié)數(shù)據(jù)協(xié)議的結(jié)構(gòu)，分別代表綠紅藍(lán)三個(gè)信息。

圖 2.WS2812 LED的3字節(jié)數(shù)據(jù)協(xié)議的結(jié)構(gòu)

使用計(jì)時(shí)器來PWM控制波形，然后配置DMA使CPU高效并且易于實(shí)施。

圖 3.WS2812 LED的0和1位的計(jì)時(shí)圖

在軟件中，配置DMA, 選擇了“TIM2_CH3/UP”, 將方向改為“內(nèi)存到外設(shè)”, 同時(shí)，將優(yōu)先級(jí)改為“非常高”,最后保存.ioc 文件，以生成項(xiàng)目代碼。

圖 4. 配置DMA流，以便有效更新PWM信號(hào)的占空比

更多內(nèi)容請看下面文章：使用 STM32 來控制 NeoPixels

DMA的兩種模式

合理使用兩種DMA模式（兵乓模式與多數(shù)據(jù)包緩沖傳輸模式），可以幫助提高M(jìn)CU效率。

USB外設(shè)是一個(gè)很好的外設(shè)示例，早期的USB實(shí)現(xiàn)的最大吞吐量只有1.5 Mb/秒。隨著更高性能的標(biāo)準(zhǔn)版本的出現(xiàn)。比如要接近12 Mbit/s全速USB標(biāo)準(zhǔn)的理論最大值。我們來看看，數(shù)據(jù)傳輸方面DMA如何幫助提高M(jìn)CU效率！

我們以Microchip的ATXMEGA16D4-MH舉例。

01、兵乓模式

之前通常使用單個(gè)存儲(chǔ)器緩沖區(qū)進(jìn)行外設(shè)數(shù)據(jù)傳輸。如果數(shù)據(jù)緩沖區(qū)已滿，MCU將響應(yīng)NAK(否定確認(rèn))消息。接收到NAK后，主機(jī)將等待并稍后重試傳輸。它將繼續(xù)重試，直到MCU能夠成功接收數(shù)據(jù)。

ATXMEGA16D4-MH使用乒乓模式來消除這個(gè)問題。乒乓模式使用兩個(gè)存儲(chǔ)單元（memory banks）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)一個(gè)存儲(chǔ)單元滿時(shí)，主機(jī)可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)存儲(chǔ)單元。在兩個(gè)存儲(chǔ)單元之間交替?zhèn)鬏斂梢员苊鈴?fù)審，并提高整體數(shù)據(jù)帶寬。

圖 5. 乒乓模式提高了效率(圖片來源于Microchip)

此外，如上圖所示，以乒乓模式還使MCU有更多時(shí)間來處理數(shù)據(jù)。如圖所示，沒有乒乓，CPU只能處理傳輸之間的數(shù)據(jù)。使用乒乓模式，CPU可以在傳輸周期的一部分時(shí)間內(nèi)處理數(shù)據(jù)，并降低NAK被要求“趕上”數(shù)據(jù)處理要求的可能性。

02、多數(shù)據(jù)包緩沖傳輸模式

另一個(gè)很有用的模式，可以讓MCU的數(shù)據(jù)傳輸更高效。這個(gè)特性叫做“多數(shù)據(jù)包緩沖傳輸模式”。如果你要通過USB端口傳送的數(shù)據(jù)包，超過了全速USB的BULK傳輸模式所允許的最大值（64字節(jié)），那么就可以用上這個(gè)模式。以前，你需要在主機(jī)上把數(shù)據(jù)包分成小塊，然后在接收端把它們合并，這會(huì)增加中央處理器（CPU）的負(fù)擔(dān)。不過現(xiàn)在，多數(shù)據(jù)包緩沖功能加入了USB設(shè)備，它會(huì)在數(shù)據(jù)包超過USB標(biāo)準(zhǔn)大小時(shí)自動(dòng)幫你分割和合并數(shù)據(jù)。重要的是，這個(gè)模式還能減少中斷的次數(shù)，因?yàn)橹挥性谡麄€(gè)傳輸結(jié)束后才需要中斷CPU。這意味著，CPU可以處理其他任務(wù)，或者進(jìn)入休眠模式，直到整個(gè)傳輸完成并且準(zhǔn)備好處理。

總結(jié)

合理利用DMA控制器,可以減輕減輕CPU的負(fù)擔(dān)，事半功倍。結(jié)合“乒乓緩沖”和“多傳輸模式”，你可以把傳輸?shù)膸拸幕鶞?zhǔn)BULK傳輸模式的5.6 Mb/s提升到8.7 Mbits/s，這是一個(gè)不小的提升。更重要的是，在使用這兩個(gè)功能的情況下，CPU的負(fù)擔(dān)從基準(zhǔn)的46%降低到只有9%。這兩個(gè)功能的結(jié)合，不僅在性能上有所改進(jìn)，而且還能節(jié)省能源。

來源：得捷電子DigiKey（作者：Alan Yang）

審核編輯：湯梓紅