数据传输还用 CPU？不如交给 DMA 吧！

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鱼鹰  鱼鹰谈单片机  3月3日

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“数据传输耗时又耗力？交给 DMA 去干吧！”

 

参考：

stm32f2 技术培训_直接存储器访问_dma http://www.doc88.com/p-7952436689372.html

AN4031 应用笔记：使用 STM32F2 和 STM32F4 DMA 控制器

AN2548 应用笔记：使用 STM32F101xx 和 STM32F103xx DMA 控制器

STM32中文参考手册

看完这些就差不多了。

首先大概介绍一下功能吧，看笔记对于初学者可能有些吃力，在这里我将按我的理解进行说明。

DMA 的作用是在没有 Cortex-M3 核心的干预下，在后台完成数据传输。在传输数据的过程中，主处理器可以执行其它任务，只有在整个数据块传输结束后，需要处理这些数据时才会中断主处理器的操作。它可以在对系统性能产生较小影响的情况下，实现大量数据的传输。

以上是官方话。怎么理解呢？

假如现在你是 CPU，然后你的一个伙伴是 DMA，你的伙伴和你还有些不同，你可以做很多事情，比如判断、计算、存储、I/O 操作等等，但你的伙伴就比较笨了，他只能干一件事情，就是存储功能，但正因为他的专一性，所以干活的速度特别快，同样是干存储的活，他干的就比你快。所以你就会想，既然他能干存储的活，我干嘛还干，交给他就行了啊！所以当有人（用户）让你去干存储的活时，你就让你的伙伴 DMA 干了，你首先告诉你的伙伴从哪往哪搬数据、数据大小是多少、数据宽度是多少，把这些基本的信息告诉他之后，你就可以忙你自己的事情了，对了，记得提醒他一声，让他干完活就过来通知你（中断），好让你知道他已经干完了活，是继续干其他活还是去休息了。如果继续干活，就要继续把新的基本信息告诉他；如果是休息，就让他休息就好了。这样你就能节省不少时间忙你的其他工作，数据传输量少的时候可能区别不是很大，毕竟在小数据量的时候也要每次通知 DMA 告诉他基本情况，然后他干完活后又得通知你，有这时间，你自己就把活干了。但是在数据量大的时候就不一样了，你会发现 DMA 还是很有用的，你会发现你俩干活的差距是很大的。还有在你分身乏术的时候，也可以叫他。比如有些外设数据（SPI、UART、I2C 等）可能来的比较突然，就需要 DMA 始终监控这些数据，一旦有新数据来了，就开始搬运数据，这样就不怕新数据覆盖旧数据了。

这些就是大方向上的理解了，但是只是懂这些东西还是没用的，如果你不能从细节上把握，你还是不能很好的使用 DMA，细节上的东西就交给上面的文档了，下面是读文档之后的一些总结性内容，你可以在看完这些文档之后再回过头来看这些。

看完之后你会发现 STM32F4 的 DMA 和 STM32F1 的 DMA 有很大差别。

第一个区别就是，STM32F1 的通道和 STM32F4 的通道意义不同，F1 的通道指的是传输通道，如下所示：

而 F4 的通道是这样的：

你会发现 F1 通道意义类似与 F4 的数据流，而 F1 请求信号和 F4 的通道号类似的，只是以前直接使用或门，现在换成了通道选择开关，避免了一些干扰。他们的关系如下：

然后通过表格来了解一下他们之间的关系：

这是 F1 的

这是 F4 的

是不是发现他们很接近啊。但是如果你看了之前的文档，你就会发现她们的差异是很大的。

最大的区别就是 FIFO 了，这也是很多人（包括我）用过 F1 的 DMA，但是发现 F4 的 DMA 不好用，原因就在这个 FIFO 里面。关于 FIFO 原理可以参考另一篇文章，不过那个是讲软件实现，这个是硬件 FIFO。

FIFO 的存在是为了优化带宽，但是也增加了操作的复杂性，但是也可以禁用 FIFO，这样就类似 F1 的 DMA 了。但是明明有这么好的东西却不用，就有些可惜了。

FIFO 很大的一个特点，就是可以暂存数据，这样如果一次性有很多数据进来了，但你的出口端没有获得传输的条件，那么就可以暂存在 FIFO 里面了，一旦获得了总线仲裁，那么就可以开始传输了，这样数据就不容易丢失。

如果启用 FIFO，这里面就有一个阈值需要考虑。我们知道外设数据的传输条件是通过请求的，比如说串口接收数据过程。当串口接收到一个字节数据之后，串口就向 DMA 控制器发出请求，就会将数据传输至 FIFO 中暂存，如果关闭 FIFO 的情况下，这个数据是会马上传输到目的地的，但是现在你启用了 FIFO，那么这个数据就要在这里停留一段时间，那么这段时间是多少呢？不确定。不确定怎么玩？别急，慢慢听我说。

有三种条件会将 FIFO 数据传输到目的地中：

1. 关闭 DMA。

在你启用了数据流的情况下，又关闭了数据流，如果 FIFO 里面有数据，那么就会将 FIFO 里面的数据传输到目的地中去，这个称之为刷新，但是 FIFO 的数据量你是不确定的，你怎么知道有多少个数据传输到了目的地呢？这个就要通过计数器反推了。比如说你设置数据流接收 10 个字节数据，现在计数器等于 3，那就说明你已经接收了 7 个字节，因为没接收一次数据，计数器都会减一，这样你就知道目的地到底存了多少个有效数据。再说一点，通过这种方式，再打开串口空闲中断，就可以接收不定长的串口数据了，不必像一些协议一样，通过一些特殊数据来判断帧头帧尾的方式来接收不定长数据，这样简单而高效。

注意：关闭 DMA 的时候一定要确定一已经关闭了，因为如果 DMA 当前还有工作在做，比如正在传输一个数据，这个时候 DMA 其实还没有关闭，只有在传输完成之后才会关闭。所以一定要在进行下一次 DMA 操作之前确保已经关闭了 DMA，在此之前必须等待，等待的条件可以是传输完成标志，也可以是 DMA 关闭位 EN。

1. 接收完成。

还是串口接收过程，还是接收 10 个字节，当接收完 10 个字节之后，因为计数器已经是 0 了，所以硬件自动进行刷新工作，并且关闭数据流，如果下次要接收的话，就要重新打开了。不过这里有一个双缓冲模式，启用他的话，它就不会关闭数据流，而是继续工作，不过这次工作的目的地换了一个地方了。

1. 阈值

通过设置阈值，也可以触发 FIFO 的传输工作。FIFO 的大小为 4 个字，一个字为 4 个字节，所以就有 16 个字节的空间大小。如果你设置的阈值为 1/2，那么当数据传输了 8 个字节的时候，就会触发条件，将 FIFO 中的数据传输到目的地当中去，当然了如果在传输的过程中串口又来了数据，那也是没问题的，毕竟 FIFO 就是用来缓存的啊，后来的数据在后面排队就行。但是如果你设置的阈值是满，那么可能就会丢失数据了，毕竟现在 FIFO 里已经没有空间了，不过不太可能的，因为串口传输数据实在是太慢了，当你触发满的条件开始传输时，在下一个字节数据来之前肯定最少能转移出一个字节数据，给新数据留个位置的。所以不用担心。

这里还有一点就是，假如你设置接收 10 个字节数据，设置的阈值是 1/4，也就是 4 字节，你现在接收了 5 个字节，前面四个字节因为触发了阈值条件已经将数据传输到目的地了，但是还有 1 个字节数据还滞留在 FIFO 里面没动，怎么办？就是通过关闭 DMA 的方式来将 FIFO 的数据转移至目的地。

使用 DMA 的时候要特别注意操作顺序。比如我做的一个项目，需要定时器触发 DMA，然后将内存中的数据转移至 PSC（实现实时改变频率的功能），一开始不懂，首先开启了定时器的请求，然后才配置 DMA，开启 DMA。这样导致的后果是，打开 DMA 失败，最后查找原因发现是出现了错误（通过错误状态寄存器观察），虽然通过清除错误的方式成功启动了 DMA，但还是不知道为什么会发生这种错，后面才知道原因：如果一开始就开始定时器请求的话，因为 DMA 中还没有数据，无法进行传输工作，所以就导致了错误。后面换了操作顺序就没有这种错误出现了。

最后在总结几点：

1. F4 的 DMA 只有 DMA2 可以进行内存到内存的传输模式，并且必须开启 FIFO。

2. 突发配置的限制

1. 不同于 F1，F4 的不同数据长度进行 DMA 传输时必须开启 FIFO

2. 停止外设的流程，不能只关闭 DMA，而不断开外设连接请求。

------------------------------------------------------------------------------------2018/12/05  Osprey