單片機技術(shù)之DMA原理

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，DMA控制器就會啟動數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)剩余傳輸數(shù)據(jù)量為0時 達到傳輸終點，結(jié)束DMA傳輸 ，當(dāng)然，DMA 還有循環(huán)傳輸模式 當(dāng)?shù)竭_傳輸終點時會重新啟動DMA傳輸。　　也就是說只要剩余傳輸數(shù)據(jù)量不是0，而且DMA是啟動狀態(tài)，那么就會發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?！　?/p>

DMA的主要特征

每個通道都直接連接專用的硬件DMA請求，每個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DMA模塊上，多個請求間的優(yōu)先權(quán)可以通過軟件編程設(shè)置（共有四級：很高、高、中等和低），優(yōu)先權(quán)設(shè)置相等時由硬件決定（請求0優(yōu)先于請求1，依此類推）；

獨立數(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)傳輸寬度對齊；

支持循環(huán)的緩沖器管理；

每個通道都有3個事件標(biāo)志（DMA半傳輸、DMA傳輸完成和DMA傳輸出錯），這3個事件標(biāo)志邏輯或成為一個單獨的中斷請求；

存儲器和存儲器間的傳輸、外設(shè)和存儲器、存儲器和外設(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。

STM32少個DMA資源？

對于大容量的STM32芯片有2個DMA控制器 兩個DMA控制器，DMA1有7個通道，DMA2有5個通道。每個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DMA請求，通過邏輯或輸入到DMA1控制器 其中每個通道都對應(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個請求，經(jīng)邏輯或輸入到DMA2控制器，其中每個通道都對應(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

DMA工作系統(tǒng)框圖

上方的框圖，我們可以看到STM32內(nèi)核，存儲器，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)，使各個外設(shè)和諧的使用總線來傳輸數(shù)據(jù)。我們對他來進行一點一點的分析：

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

1.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傳輸時外設(shè)對DMA控制器發(fā)出請求。

DMA控制器收到請求，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)一點介紹：

在發(fā)生一個事件后，外設(shè)向DMA控制器發(fā)送一個請求信號。DMA控制器根據(jù)通道的優(yōu)先權(quán)處理請求。當(dāng)DMA控制器開始訪問發(fā)出請求的外設(shè)時，DMA控制器立即發(fā)送給它一個應(yīng)答信號。當(dāng)從DMA控制器得到應(yīng)答信號時，外設(shè)立即釋放它的請求。一旦外設(shè)釋放了這個請求，DMA控制器同時撤銷應(yīng)答信號。DMA傳輸結(jié)束，如果有更多的請求時，外設(shè)可以啟動下一個周期。

總之，每次DMA傳送由3個操作組成：

從外設(shè)數(shù)據(jù)寄存器或者從當(dāng)前外設(shè)/存儲器地址寄存器指示的存儲器地址取數(shù)據(jù)，第一次傳輸時的開始地址是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)/存儲器地址寄存器指示的存儲器地址，第一次傳輸時的開始地址是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。

DMA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，硬件自動會將傳輸數(shù)據(jù)量寄存器進行重裝，進行下一輪的數(shù)據(jù)傳輸。也就是多次傳輸模式

仲裁器

仲裁器的作用是確定各個DMA傳輸?shù)膬?yōu)先級

仲裁器根據(jù)通道請求的優(yōu)先級來啟動外設(shè)/存儲器的訪問。

優(yōu)先權(quán)管理分2個階段：

軟件：每個通道的優(yōu)先權(quán)可以在DMA_CCRx寄存器中設(shè)置，有4個等級：

最高優(yōu)先級

高優(yōu)先級

中等優(yōu)先級

低優(yōu)先級；

硬件：如果2個請求有相同的軟件優(yōu)先級，則較低編號的通道比較高編號的通道有較高的優(yōu)先權(quán)。比如：如果軟件優(yōu)先級相同，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。

DMA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，還要選擇通道對應(yīng)外設(shè)的數(shù)據(jù)流

8 個 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。每個數(shù)據(jù)流配置后都可以執(zhí)行：● 常規(guī)類型事務(wù)：存儲器到外設(shè)、外設(shè)到存儲器或存儲器到存儲器的傳輸?！?雙緩沖區(qū)類型事務(wù)：使用存儲器的兩個存儲器指針的雙緩沖區(qū)傳輸（當(dāng) DMA 正在進行自/至緩沖區(qū)的讀/寫操作時，應(yīng)用程序可以進行至/自其它緩沖區(qū)的寫/讀操作）。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（多達 65535）可以編程，并與連接到外設(shè) AHB 端口的外設(shè)（請求 DMA 傳輸）的源寬度相關(guān)。每個事務(wù)完成后，包含要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)項總量的寄存器都會遞減。

DMA_SxCR 寄存器控制數(shù)據(jù)流到底使用哪一個通道，每個數(shù)據(jù)流有 8 個通道可供選擇，每次只能選擇其中一個通道進行 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：

DMA 傳輸通道

每個通道都可以在有固定地址的外設(shè)寄存器和存儲器地址之間執(zhí)行DMA傳輸。DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 量是可編程的，大達到65535。包含要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)項數(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。

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)和存儲器指針在每次傳輸后可以自動向后遞增或保持常量。當(dāng)設(shè)置為增量模式時，下一個要傳輸?shù)牡刂穼⑹乔耙粋€地址加上增量值

通過單個寄存器訪問外設(shè)源或目標(biāo)數(shù)據(jù)時，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個數(shù)據(jù)寬度、2個數(shù)據(jù)寬度或 4個數(shù)據(jù)寬度。

存儲器到存儲器模式

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

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DMA通道時，DMA傳輸將馬上開始。當(dāng)DMA_CNDTRx寄存器變?yōu)?時，DMA傳輸結(jié)束。存儲器到存儲器模式不能與循環(huán)模式同時使用。

這里要注意僅 DMA2 的外設(shè)接口可以訪問存儲器，所以僅 DMA2 控制器支持存儲器到存儲器的傳輸，DMA1 不支持。

存儲器到存儲器模式不能與循環(huán)模式同時使用。

DMA中斷

每個DMA通道都可以在DMA傳輸過半、傳輸完成和傳輸錯誤時產(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、對齊方式和數(shù)據(jù)大小端當(dāng)PSIZE和MSIZE不相同時，DMA模塊按照下圖進行數(shù)據(jù)對齊。

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 的中斷分別有獨立的中斷向量。所有其他的 DMA 通道都有自己的 中斷向量

DMA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，并不會與CPU的系統(tǒng)總線發(fā)生沖突。也就是說，DMA的使用不會影響CPU的運行速度

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)行直接存儲器數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)CPU和DMA同時訪問相同的目標(biāo)(RAM或外設(shè))時，DMA請求可能會停止 CPU訪問系統(tǒng)總線達若干個周期，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(存儲器或外設(shè))帶寬。

DMA配置部分

此部分我們分為DMA寄存器和DMA庫函數(shù)分別介紹：

DMA寄存器

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

DMA中斷狀態(tài)寄存器(DMA_ISR)

我們?nèi)绻_啟了 DMA_ISR 中這些中斷，在達到條件后就會跳到中斷服務(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。

DMA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應(yīng)的位寫入 0 來清除。

DMA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)及存儲器的寬度、通道優(yōu)先級、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?/strong>

typedef?struct?{??
?uint32_t?DMA_PeripheralBaseAddr;???
?/*設(shè)置DMA源地址*/
?uint32_t?DMA_MemoryBaseAddr;???????
?/*設(shè)置DMA目的地址*/
?uint32_t?DMA_DIR;?
?/*?設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸方向，決定是從外設(shè)讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存還送從內(nèi)存讀取數(shù)?據(jù)發(fā)送到外設(shè)，也就是外設(shè)是源地還是目的地
?*/???????????????????????
?uint32_t?DMA_BufferSize;??????
?/*設(shè)置傳輸大小*/????
?uint32_t?DMA_PeripheralInc;???????
?/*設(shè)置ReceiveBuff地址是否自增*/??????
?uint32_t?DMA_MemoryInc;?
?/*設(shè)置傳輸數(shù)據(jù)時候內(nèi)存地址是否遞，需要開啟*/???????
?uint32_t?DMA_PeripheralDataSize;???
?/*外設(shè)的數(shù)據(jù)長度是為字節(jié)傳輸（8bits），半?字傳輸(16bits)?還是字傳輸(32bits)?*/????
?uint32_t?DMA_MemoryDataSize;????
???/*設(shè)置內(nèi)存的數(shù)據(jù)長度*/
?uint32_t?DMA_Mode;??????
?/*設(shè)置DMA的模式，正常模式/循環(huán)模式??是否循環(huán)發(fā)送*/????????
?uint32_t?DMA_Priority;?
??/*設(shè)置?DMA?通道的優(yōu)先級，有低，中，高，超高四種模式*/????????
?uint32_t?DMA_M2M;????
??/*設(shè)置是否是存儲器到存儲器模式傳輸，*/???????}
?DMA_InitTypeDef;?

void?DMA_ITConfig(DMA_Channel_TypeDef*?DMAy_Channelx,?uint32_t?DMA_IT,??FunctionalState?NewState);
1

void?DMA_SetCurrDataCounter(DMA_Channel_TypeDef*?DMAy_Channelx,?uint16_t??DataNumber);
?uint16_t?DMA_GetCurrDataCounter(DMA_Channel_TypeDef*?DMAy_Channelx);
12作用：前者設(shè)置DMA通道的傳輸數(shù)據(jù)量（DMA處于關(guān)閉狀態(tài)）；后者獲取當(dāng)前DMA通道傳輸剩余數(shù)據(jù)量（DMA處于開啟狀態(tài)）。

{
?
??DMA_InitTypeDef?DMA_InitStructure;
??RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);

??/*DMA配置*/

??DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr?=?USART1_DR_Base;//串口數(shù)據(jù)寄存器地址
??DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr?=?(uint32_t)SendBuff;?//內(nèi)存地址(要傳輸?shù)淖兞康闹羔?
??DMA_InitStructure.DMA_DIR?=?DMA_DIR_PeripheralDST;?//方向(從內(nèi)存到外設(shè))
??DMA_InitStructure.DMA_BufferSize?=?500;?//傳輸內(nèi)容的大小
??DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc?=?DMA_PeripheralInc_Disable;?//外設(shè)地址不增
??DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc?=?DMA_MemoryInc_Enable;?//內(nèi)存地址自增
??DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize?=
??DMA_PeripheralDataSize_Byte?;?//外設(shè)數(shù)據(jù)單位
??DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize?=
??DMA_MemoryDataSize_Byte?;?//內(nèi)存數(shù)據(jù)單位
??DMA_InitStructure.DMA_Mode?=?DMA_Mode_Normal?;?//DMA模式：一次傳輸，循環(huán)
??DMA_InitStructure.DMA_Priority?=?DMA_Priority_Medium?;?//優(yōu)先級：高
??DMA_InitStructure.DMA_M2M?=?DMA_M2M_Disable;?//禁止內(nèi)存到內(nèi)存的傳輸

??DMA_Init(DMA1_Channel4,?&DMA_InitStructure);?//配置DMA1的4通道
??DMA_Cmd(DMA1_Channel4,ENABLE);
??DMA_SetCurrDataCounter(DMA_CH4,DMA1_MEM_LEN);//DMA通道的DMA緩存的大小
??DMA_ITConfig(DMA1_Channel4,DMA_IT_TC,ENABLE);//配置DMA發(fā)送完成后產(chǎn)生中斷
?
}

void?DMA1_Channel4_IRQHandler(void)
{
?if(DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC4)==SET)
?{
?
??DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC4);
?}
}

#define?SEND_BUF_SIZE?500?//發(fā)送數(shù)據(jù)長度,最好等于sizeof(TEXT_TO_SEND)+2的整數(shù)倍.
?
u8?SendBuff[SEND_BUF_SIZE];?//發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)
const?u8?TEXT_TO_SEND[]={"STM32F1?DMA?串口實驗"};
?uint16_t?i;
int?main(void)
{????
?uart_init(115200);???//串口初始化為115200
??
?for(i=0;i<500;i++)
?{
?SendBuff[i]?=0xaf;
?}?
?USART_DMACmd(USART1,USART_DMAReq_Tx,ENABLE);??//使能串口dma傳輸?
?
?while(1);
}