DMA控制器入门指南：从原理到实践

可喜~可乐

于 2025-01-09 15:04:23 发布

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分类专栏： STM32入门指南：从原理到实践文章标签：单片机 stm32 嵌入式硬件硬件工程 c++ c语言

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1 直接存储器访问(DMA)概述

直接存储器访问(DMA)是STM32微控制器中一个重要的硬件功能模块，它提供了一种不需要CPU干预就能实现外设与存储器之间、存储器与存储器之间数据传输的机制。在传统的数据传输方式中，CPU需要介入每一次数据的读写过程：首先从源地址读取数据，然后将数据写入目标地址。这种方式不仅占用了大量的CPU资源，还会降低整个系统的运行效率。而DMA控制器则通过硬件方式，在CPU不参与的情况下自主完成数据传输任务。

1.1 直接存储器访问(DMA)结构

STM32的DMA控制器采用多通道设计，以F1系列为例，它配备了7个独立的DMA通道。每个通道都可以与特定的外设源或目标相连接，支持独立的数据传输。这种多通道架构使得多个外设可以同时请求DMA传输，大大提高了系统的并行处理能力。在数据传输过程中，DMA控制器会暂时占用系统总线，此时CPU访问总线的请求会被暂时挂起，直到当前的DMA传输完成。

1.2 直接存储器访问(DMA)数据传送

DMA控制器的数据传输是以块为单位进行的，每个传输块都有其特定的源地址和目标地址。在传输过程中，DMA控制器会自动管理地址的递增，并维护传输计数器。当完成预设的传输数量后，DMA可以触发中断通知CPU，或者在循环模式下自动重新开始传输。这种自动化的传输机制特别适合处理需要持续数据流的应用场景，如ADC采样、串口通信等。

1.3 直接存储器访问(DMA)机制

为了确保数据传输的可靠性和效率，STM32的DMA控制器实现了多种保护机制。首先是优先级管理，当多个DMA通道同时请求传输时，系统会根据预先配置的优先级决定传输顺序。其次是错误检测机制，DMA控制器能够检测传输过程中的异常情况，并通过中断通知CPU进行处理。此外，DMA控制器还支持多种数据宽度的传输（8位、16位、32位），并能够自动处理源地址和目标地址的对齐要求。

在实际应用中，DMA的使用能显著提升系统性能。例如在ADC连续采样中，使用DMA可以实现数据的自动传输，无需CPU干预即可将采样结果存储到指定的内存区域。在串口通信中，DMA可以自动完成数据的收发，释放CPU资源用于处理其他任务。在存储器到存储器的数据搬运中，DMA可以实现高效的数据块复制，大大提高数据处理效率。

2 DMA传输模式

DMA控制器支持三种基本的传输模式：外设到存储器、存储器到外设以及存储器到存储器模式。每种模式都有其特定的应用场景和配置要求。了解这些传输模式的特点和使用方法，对于正确使用DMA功能至关重要。

2.1 外设到存储器

外设到存储器(Peripheral to Memory)模式是最常用的传输模式之一。在这种模式下，DMA控制器从外设的数据寄存器读取数据，然后将其传输到指定的存储器地址。这种模式典型的应用场景是ADC采样数据的获取：ADC完成一次转换后，会触发DMA请求，DMA控制器随即将ADC转换结果寄存器中的数据传输到预先指定的内存缓冲区。外设地址通常是固定的（外设数据寄存器地址），而存储器地址可以配置为自动递增，以便连续存储多个数据。

2.2 存储器到外设

存储器到外设(Memory to Peripheral)模式与上述模式相反，数据从存储器传输到外设的数据寄存器。这种模式常用于数据发送场景，比如通过串口发送数据：将要发送的数据预先存储在内存缓冲区中，当串口发送寄存器为空时触发DMA请求，DMA控制器自动将下一个数据从内存传输到串口发送寄存器。这种模式下，外设地址同样通常是固定的，而存储器地址可以配置为递增模式，以便顺序读取发送数据。

2.3 存储器到存储器

存储器到存储器(Memory to Memory)模式是STM32 DMA控制器提供的一种特殊模式。在这种模式下，数据在两个存储器地址之间直接传输，不涉及外设。这种模式特别适合于大块数据的快速复制或移动操作。例如，在图像处理应用中，可能需要将图像数据从一个缓冲区复制到另一个缓冲区进行处理。使用DMA的存储器到存储器模式可以极大地提高数据搬运效率，释放CPU资源用于其他任务。需要注意的是，并非所有DMA通道都支持存储器到存储器模式，在使用前需要查阅具体型号的参考手册。

2.4 其他模式

在这些基本传输模式之上，DMA控制器还支持两种运行模式：普通模式和循环模式。普通模式下，DMA完成预设的传输次数后就会停止，需要软件重新配置才能开始新的传输。循环模式下，DMA在完成预设的传输次数后会自动重新装载传输计数器，继续新一轮的传输。循环模式特别适合需要持续数据流的应用，如ADC连续采样或音频数据流处理。

为了提高传输效率，DMA控制器允许配置不同的数据宽度（8位、16位、32位）和地址递增方式。源地址和目标地址的数据宽度可以不同，DMA控制器会自动处理数据对齐。同时，地址递增可以独立配置，这意味着源地址和目标地址可以采用不同的递增方式。例如，在ADC采样数据传输中，外设地址（ADC数据寄存器）保持固定，而存储器地址则需要递增以存储连续的采样值。

此外，DMA传输过程中的中断管理也是一个重要特性。DMA控制器提供了传输完成中断、半传输完成中断和传输错误中断等多种中断事件。通过合理配置这些中断，可以实现对传输过程的精确控制和监控。例如，在大块数据传输中，可以使用半传输完成中断来实现双缓冲处理，提高数据处理的实时性。

下面是一个基本的DMA配置代码示例：

void DMA_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    
    // 开启DMA时钟
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
    
    // 配置DMA参数
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&ADC1->DR;  // 外设地址
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)&ADC_Value;     // 存储器地址
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;              // 传输方向
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 1;                           // 传输计数器
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; // 外设地址固定
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;         // 存储器地址递增
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord; // 外设数据宽度
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;         // 存储器数据宽度
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;                 // 循环模式
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;             // 优先级
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;                    // 非存储器到存储器模式
    
    DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);
}

3 传输数据大小与地址增量

3.1 传输数据大小

传输数据大小是DMA配置中的一个重要参数，STM32的DMA控制器支持三种数据宽度：8位(Byte)、16位(Half-word)和32位(Word)。在DMA配置时，我们可以分别为源地址和目标地址指定不同的数据宽度。例如，在处理ADC数据时，ADC的采样结果通常是16位，而我们可能需要将其存储为32位数据以便进行后续计算。DMA控制器会自动处理这种数据宽度的转换，确保数据正确传输。这种灵活的数据宽度配置极大地提高了DMA传输的适应性。

3.2 数据宽度

数据宽度的选择需要考虑多个因素。首先是数据对齐问题，当使用不同数据宽度时，源地址和目标地址必须按照各自的数据宽度对齐。例如，16位数据传输要求地址必须是2的倍数，32位数据传输要求地址是4的倍数。其次是传输效率，一般来说，选择更大的数据宽度可以提高传输效率，因为每次传输可以搬运更多数据。但这需要权衡存储空间的使用，过大的数据宽度可能会浪费存储空间。

3.3 地址增量配置

地址增量配置是另一个关键特性，它决定了在每次数据传输后源地址和目标地址如何变化。DMA控制器允许独立配置源地址和目标地址的增量模式。增量模式有两种选择：固定地址模式和地址自增模式。在固定地址模式下，每次传输后地址保持不变，这通常用于访问外设的数据寄存器。在地址自增模式下，每次传输后地址会自动增加，增加的值等于配置的数据宽度。

地址增量的配置与实际应用场景密切相关。以ADC连续采样为例，ADC数据寄存器的地址应该配置为固定模式，因为我们总是从同一个寄存器读取数据；而存储采样结果的内存地址应该配置为自增模式，这样每个新的采样值都会存储在连续的内存位置上。再比如在存储器到存储器的数据复制中，源地址和目标地址通常都需要配置为自增模式，以实现数据的连续复制。

3.4 其他功能

DMA控制器还提供了传输计数器，用于控制传输的数据量。计数器的值表示要传输的数据项数量，而不是字节数。例如，如果配置的数据宽度是16位，计数器值为100，那么实际传输的字节数是200。在传输过程中，每完成一次数据传输，计数器值就会减1，直到减到0时停止传输或在循环模式下重新装载初值。

为了确保正确的数据传输，我们需要特别注意数据对齐和缓冲区大小的问题。

源地址和目标地址都必须按照各自的数据宽度对齐。
在配置DMA传输时，必须确保缓冲区的大小足够容纳所有要传输的数据。特别是在使用较大数据宽度时，要注意预留足够的缓冲区空间。
在使用自增模式时，要确保地址增量不会超出分配的内存范围。

在实际应用中，合理配置传输数据大小和地址增量可以显著提高数据传输的效率。例如，在处理大块数据时，可以选择较大的数据宽度来减少传输次数。在处理数据流时，可以通过合理配置地址增量来实现数据的连续存储或处理。

4 优先级管理机制

在STM32中，DMA控制器采用了一套完善的优先级管理机制，用于处理多个DMA通道同时请求传输的情况。DMA控制器为每个通道提供了四个优先级级别：低优先级(Low)、中优先级(Medium)、高优先级(High)和超高优先级(Very High)。这种多级优先级设计确保了在系统资源竞争时，重要的数据传输任务能够优先执行。

4.1 基本原则

当多个DMA通道同时请求传输时，优先级仲裁遵循两个基本原则：首先是软件优先级，即根据通道配置的优先级级别判断；其次是硬件优先级，即当软件优先级相同时，编号较小的DMA通道具有更高的优先级。例如，如果DMA1通道1和DMA1通道2都配置为高优先级，且同时发起传输请求，则通道1会先获得传输权限。这种双重优先级机制保证了传输顺序的确定性。

4.2 优先级管理

优先级的配置需要在初始化DMA通道时通过DMA_InitStructure.DMA_Priority参数设定。一旦配置完成，在传输过程中不能动态修改优先级。因此，在系统设计时需要仔细规划各个DMA通道的优先级。通常，我们会根据外设的实时性要求和数据传输的重要程度来分配优先级。例如，ADC连续采样这种需要及时处理的数据传输可以配置为高优先级，而普通的存储器到存储器的数据复制则可以使用较低的优先级。

在实际应用中，合理分配DMA通道优先级可以显著提高系统性能。以一个典型的数据采集系统为例，假设系统同时进行ADC采样和串口通信。ADC采样需要及时处理以避免数据丢失，因此其对应的DMA通道可以配置为高优先级；而串口通信的实时性要求相对较低，可以配置为中优先级。这样，当两个通道同时请求传输时，系统会优先处理ADC数据，确保采样数据的完整性。

需要注意的是，过多使用高优先级可能会导致低优先级通道长时间得不到服务，产生传输延迟或超时问题。因此，在设计系统时应当权衡各个数据传输任务的重要性和实时性需求，合理分配优先级。通常建议将真正需要快速响应的传输配置为高优先级，而将可以容忍一定延迟的传输配置为较低优先级。

对于特别重要的数据传输，除了配置最高优先级外，还可以配合使用DMA中断来监控传输状态。通过及时处理传输完成中断或错误中断，可以实现对关键数据传输的精确控制。此外，在某些场景下，也可以通过软件暂时禁用某些DMA通道，为重要的传输任务让出带宽。

5 传输模式选择

DMA控制器提供了两种基本的传输模式：普通模式(Normal Mode)和循环模式(Circular Mode)。这两种模式的设计满足了不同场景下的数据传输需求。在DMA初始化时，通过配置DMA_InitStructure.DMA_Mode参数来选择使用哪种传输模式。这个选择直接影响了DMA传输的行为和数据处理方式。

5.1 普通模式

普通模式是最基本的传输模式，适用于一次性数据传输的场景。在这种模式下，DMA控制器会按照预设的传输计数器值，执行指定次数的数据传输。当传输计数器减到零时，DMA传输自动停止，并将通道禁用。如果需要进行新的传输，必须由软件重新配置传输计数器并使能DMA通道。这种模式特别适合于数据块的一次性传输，例如将一块数据从存储器复制到另一个存储器区域，或者发送一个固定长度的数据包。

在普通模式下，DMA传输完成后停止，需要手动重新启动下一次传输。

#include "stm32f4xx_hal.h"

DMA_HandleTypeDef hdma_memtomem;

void DMA_Init(void)
{
    __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();

    hdma_memtomem.Instance = DMA2_Stream0;
    hdma_memtomem.Init.Channel = DMA_CHANNEL_0;
    hdma_memtomem.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_MEMORY; // 内存到内存模式
    hdma_memtomem.Init.PeriphInc = DMA_PINC_ENABLE;     // 外设地址递增
    hdma_memtomem.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;        // 内存地址递增
    hdma_memtomem.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; // 外设数据对齐
    hdma_memtomem.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;    // 内存数据对齐
    hdma_memtomem.Init.Mode = DMA_NORMAL;               // 普通模式
    hdma_memtomem.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;    // 高优先级
    hdma_memtomem.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_ENABLE;  // FIFO模式
    hdma_memtomem.Init.FIFOThreshold = DMA_FIFO_THRESHOLD_FULL; // FIFO阈值
    hdma_memtomem.Init.MemBurst = DMA_MBURST_SINGLE;    // 内存突发单次传输
    hdma_memtomem.Init.PeriphBurst = DMA_PBURST_SINGLE; // 外设突发单次传输

    if (HAL_DMA_Init(&hdma_memtomem) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

void DMA_Transfer(uint32_t *src, uint32_t *dst, uint32_t size)
{
    if (HAL_DMA_Start(&hdma_memtomem, (uint32_t)src, (uint32_t)dst, size) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }

    // 等待传输完成
    HAL_DMA_PollForTransfer(&hdma_memtomem, HAL_DMA_FULL_TRANSFER, HAL_MAX_DELAY);
}

5.2 循环模式

循环模式则提供了一种自动循环的传输机制。在这种模式下，当传输计数器减到零时，DMA控制器会自动重新装载初始的计数值，并继续执行新一轮的数据传输。这个过程会持续进行，直到软件显式地禁用DMA通道。循环模式特别适合需要持续数据流传输的应用场景，典型的例子包括ADC连续采样、音频数据流处理等。在这些应用中，数据需要持续不断地从外设传输到存储器，或者从存储器传输到外设。

在循环模式下，DMA传输完成后会自动重新开始，适用于连续数据传输。

void DMA_Init(void)
{
    __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();

    hdma_memtomem.Instance = DMA2_Stream0;
    hdma_memtomem.Init.Channel = DMA_CHANNEL_0;
    hdma_memtomem.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_MEMORY; // 内存到内存模式
    hdma_memtomem.Init.PeriphInc = DMA_PINC_ENABLE;     // 外设地址递增
    hdma_memtomem.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;        // 内存地址递增
    hdma_memtomem.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; // 外设数据对齐
    hdma_memtomem.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;    // 内存数据对齐
    hdma_memtomem.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;             // 循环模式
    hdma_memtomem.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;    // 高优先级
    hdma_memtomem.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_ENABLE;  // FIFO模式
    hdma_memtomem.Init.FIFOThreshold = DMA_FIFO_THRESHOLD_FULL; // FIFO阈值
    hdma_memtomem.Init.MemBurst = DMA_MBURST_SINGLE;    // 内存突发单次传输
    hdma_memtomem.Init.PeriphBurst = DMA_PBURST_SINGLE; // 外设突发单次传输

    if (HAL_DMA_Init(&hdma_memtomem) != HAL_OK)
    {
        Error_Handler();
    }
}

5.3 实际使用

在实际应用中，循环模式经常与双缓冲区技术结合使用。通过配置两个缓冲区，当DMA向一个缓冲区写入数据时，CPU可以同时处理另一个缓冲区中的数据，实现数据的连续采集和处理。这种方式特别适合处理连续的数据流，如音频信号处理或高速数据采集系统。在这种情况下，通常会配合使用DMA的半传输完成中断和传输完成中断，分别标识第一个缓冲区和第二个缓冲区的数据已经准备就绪。

选择合适的传输模式需要考虑多个因素。

数据传输的性质，是一次性传输还是需要持续传输。
系统资源的使用，循环模式虽然便于实现持续传输，但会持续占用DMA资源。
还需要考虑数据处理的实时性要求。

在一些应用中，可能需要在传输过程中动态调整参数或处理数据，这时就需要合理设计中断处理机制。

对于特定的应用场景，有时需要在两种模式之间进行权衡。在数据采集系统中，如果采样频率较低，可以使用普通模式，每次采样完成后重新配置DMA；如果采样频率较高，则更适合使用循环模式，避免频繁的软件干预。在某些情况下，还可以通过软件控制来模拟特殊的传输模式，例如在普通模式下通过中断服务程序重新启动传输，实现类似循环模式的效果。传输模式的选择还需要考虑与其他系统参数的配合，如DMA优先级、中断配置等。合理的配置组合可以充分发挥DMA控制器的性能，提高系统的数据传输效率。在系统设计时，建议根据具体应用需求，仔细评估不同传输模式的特点，选择最适合的配置方案。

6 DMA中断处理

DMA控制器提供了一套完善的中断机制，主要包括三种类型的中断事件：传输完成中断(Transfer Complete, TC)、传输错误中断(Transfer Error, TE)和传输半完成中断(Half Transfer, HT)。这些中断事件使系统能够及时响应传输过程中的各种状态变化，实现对数据传输的精确控制和监控。

6.1 传输完成中断

传输完成中断是最常用的DMA中断类型，当DMA完成预设的传输计数后触发。在普通模式下，这个中断标志着整个传输过程的结束；在循环模式下，它表示一轮传输的完成。通过配置传输完成中断，我们可以在数据传输结束时立即进行后续处理，如数据分析、缓冲区切换等。典型的应用场景是串口通信，当一帧数据发送完成时，可以通过此中断来启动下一帧数据的发送，或进行通信状态的更新。

6.2 传输半完成中断

传输半完成中断在传输计数器减至一半时触发，这个特性在实现双缓冲处理时特别有用。例如，在ADC连续采样场景中，我们可以设置一个较大的缓冲区，当DMA传输到缓冲区的一半时触发半完成中断，此时可以处理前半部分数据；当传输完整个缓冲区时触发完成中断，处理后半部分数据。这种机制实现了数据的连续采集和处理，避免了数据丢失。

以下是典型的双缓冲处理代码结构：

void DMA1_Channel1_IRQHandler(void)
{
    if(DMA_GetITStatus(DMA1_IT_HT1) != RESET) // 半传输完成中断
    {
        // 处理缓冲区前半部分数据
        Process_First_Half_Data();
        DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_HT1);
    }
    
    if(DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC1) != RESET) // 传输完成中断
    {
        // 处理缓冲区后半部分数据
        Process_Second_Half_Data();
        DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC1);
    }
    
    if(DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TE1) != RESET) // 传输错误中断
    {
        // 错误处理
        Error_Handler();
        DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TE1);
    }
}

6.3 传输错误中断

传输错误中断用于检测传输过程中的异常情况。当DMA传输发生错误时（如地址对齐错误、总线访问错误等），会触发此中断。在实际应用中，应该适当处理这些错误情况，以提高系统的可靠性。错误处理可能包括重新初始化DMA、记录错误日志、重新启动传输等操作。

DMA错误回调函数，当DMA传输发生错误时调用：

void HAL_DMA_ErrorCallback(DMA_HandleTypeDef *hdma)
{
    if (hdma->Instance == DMA2_Stream0)
    {
        // Handle DMA error
        Error_Handler();
    }
}

6.4 中断配置

为了使用DMA中断，需要进行正确的配置。这包括：使能NVIC中相应的中断通道、配置中断优先级、使能DMA通道的相应中断。中断处理函数应该尽可能简短，避免在中断中执行耗时操作。如果需要进行复杂的数据处理，建议只在中断中设置标志位，将实际的数据处理放在主循环中进行。

在使用DMA中断时，需要注意几个关键点：

中断优先级的合理分配，确保重要的中断能够及时响应；
中断处理函数的执行效率，避免在中断中执行过于复杂的操作；
要正确清除中断标志位，防止重复进入中断处理程序。

特别需要注意的是，在循环模式下使用中断时，要考虑数据处理速度和传输速度的匹配问题。如果数据处理速度跟不上传输速度，可能会导致数据丢失。这种情况下，可以考虑使用更大的缓冲区，或者优化数据处理算法来提高处理速度。

以下是一个DMA中断处理的示例代码：

void DMA1_Channel1_IRQHandler(void)
{
    if(DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC1) != RESET)
    {
        // 传输完成处理代码
        DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC1);
    }
    else if(DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TE1) != RESET)
    {
        // 传输错误处理代码
        DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TE1);
    }
}

应用注意事项