单片机外设之DMA原理解析

一、简介（讲述）

DMA，全称Direct Memory Access，即直接存储器访问。
直接存储器存取(DMA)用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。
Why 需要 DMA？
CPU无时不刻的在处理着大量的事务，但有些CPU处理比方说数据的复制和存储却没有那么重要，如果把这部分的CPU资源让出来，让CPU去处理其他的复杂计算事务，能够更好的利用CPU的资源。
因此：DMA可以解决大量数据转移过度消耗CPU资源的问题。
作用：无须CPU干预，数据可以通过DMA快速地移动，这就节省了CPU的资源来做其他操作。
在STM32控制器中，芯片采用Cortex-Mx架构，DMA占用另外的地址总线，并不会与CPU的系统总线发生冲突。即DMA的使用不会影响CPU的运行速度。
注意：
DMA控制器和Cortex™-M3核心共享系统数据总线，执行直接存储器(DMA)数据传输。当CPU和DMA同时访问相同的目标(RAM或外设)时，DMA请求会暂停CPU访问系统总线达若干个周期，总线仲裁器执行循环调度，以保证CPU至少可以得到一半的系统总线(存储器或外设)带宽。

二、主要特征（讲述）

STM32有两个DMA控制器，共有12个通道(DMA1有7个通道，DMA2有5个通道)。
每个通道支持硬件DMA请求，软件触发。
在同一个DMA模块上，多个请求间的优先权可以通过软件编程设置。
源和目标地址必须按数据传输宽度对齐。
每个通道都有3个事件标志(DMA半传输、DMA传输完成和DMA传输出错)。
可编程的数据传输数目：最大为65535

2.1 DMA1 controller

从外设(TIMx[x=1、2、3、4]、ADC1、SPI1、SPI/I2S2、I2Cx[x=1、2]和USARTx[x=1、2、3]) 产生的7个请求，通过逻辑或输入到DMA1控制器，这意味着同时只能有一个请求有效。
外设的DMA请求，可以通过设置相应外设寄存器中的控制位，被独立地开启或关闭。

2.2 DMA2 controller

从外设(TIMx[5、6、7、8]、ADC3、SPI/I2S3、UART4、DAC通道1、2和SDIO)产生的5个请求，经逻辑或输入到DMA2控制器，这意味着同时只能有一个请求有效。
外设的DMA请求，可以通过设置相应外设寄存器中的DMA控制位，被独立地开启或关闭。

2.3 DMA工作框图

通过DMA工作框图，可以看到涉及STM32内核，存储器，外设及DMA的连接。

2.3.1 通过DMA工作框图，分析DMA工作原理

ADC采集的数据是怎样存放到SRAM中的？

没有DMA

CPU传输数据以内核作为中转站，将ADC采集的数据转移到到SRAM中，过程如下：
内核通过DCode经过总线矩阵协调，从获取AHB存储的外设ADC采集的数据，然后内核再通过DCode经过总线矩阵协调把数据存放到内存SRAM中。

有DMA

DMA传输时外设对DMA控制器发出请求。(DMA请求)
DMA控制器收到请求，触发DMA工作。(触发)
DMA控制器从AHB外设获取ADC采集的数据，存储到DMA通道中（获取数据）
DMA控制器的DMA总线与总线矩阵协调，使用AHB把外设ADC采集的数据经由DMA通道存放到SRAM中。
以上数据的传输过程，完全不需要CPU的参与。

三、DMA定义（背诵）

DMA用来提供在外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。无须CPU的干预，通过DMA数据可以快速地移动。这就节省了CPU的资源来做其他操作。

四、DMA 传输方式

外设到内存
内存到外设
内存到内存
外设到外设

五、DMA设置参数（写程序）

数据传输，DMA所需要的核心参数:

数据的源地址
数据传输位置的目标地址
传递数据多少的数据传输量
进行多少次传输的传输模式

当用户设置参数后，主要涉及源地址、目标地址、传输数据量这三个，DMA控制器就会启动数据传输，当剩余传输数据量为0时，达到传输终点，结束DMA传输。DMA 还有循环传输模式，当到达传输终点时，会重新启动DMA传输。

即只要剩余传输数据量不是0，而且DMA是启动状态，那么就会发生数据传输。

六、DMA处理（理解）

在发生一个事件后，外设向DMA控制器发送一个请求信号。
DMA控制器根据通道的优先权处理请求。
当DMA控制器开始访问发出请求的外设时，DMA控制器立即发送给它一个应答信号。
当从DMA控制器得到应答信号时，外设立即释放它的请求。
一旦外设释放了这个请求，DMA控制器同时撤销应答信号。
如果有更多的请求时，外设可以启动下一个周期。

每次DMA传送由3个操作组成：

从外设数据寄存器或者从当前外设/存储器地址寄存器指示的存储器地址取数据，第一次传输时的开始地址是DMA_CPARx或DMA_CMARx寄存器指定的外设基地址或存储器单元。(取数据)
存数据到外设数据寄存器或者当前外设/存储器地址寄存器指示的存储器地址，第一次传输时的开始地址是DMA_CPARx或DMA_CMARx寄存器指定的外设基地址或存储器单元。(存数据)
执行一次DMA_CNDTRx寄存器的递减操作，该寄存器包含未完成的操作数目。(计算未完成的操作数据)

七、工作模式

7.1 循环模式

循环模式用于处理循环缓冲区和连续的数据传输(如ADC的扫描模式)。
在DMA_CCRx寄存器中的CIRC位用于开启这一功能。
当启动了循环模式，数据传输的数目变为0时，将会自动地被恢复成配置通道时设置的初值，DMA操作将会继续进行。

7.2 存储器到存储器模式

DMA通道的操作可以在没有外设请求的情况下进行，这种操作就是存储器到存储器模式。
当设置DMA_CCRx寄存器中的MEM2MEM位之后，在软件设置了DMA_CCRx寄存器中的EN位启动DMA通道时，DMA传输将马上开始。
当DMA_CNDTRx寄存器变为0时，DMA传输结束。

存储器到存储器模式不能与循环模式同时使用。

八、仲裁器

仲裁器根据通道请求的优先级来启动外设/存储器的访问。
仲裁器的作用是确定各个DMA传输的优先级。

优先权管理分2个阶段：
● 软件：每个通道的优先权可以在DMA_CCRx寄存器中设置，有4个等级：
─ 最高优先级
─ 高优先级
─ 中等优先级
─ 低优先级
● 硬件：

如果2个请求有相同的软件优先级，则较低编号的通道比较高编号的通道有较高的优先权。
在大容量产品和互联型产品中，DMA1控制器拥有高于DMA2控制器的优先级。

九、DMA 数据流(仅存在于STM32F4/M4内核上)

设置了DMA的通道之后，还要选择通道对应外设的数据流。
8 个 DMA 控制器数据流都能够提供源和目标之间的单向传输链路。每个数据流配置后都可以执行：
● 常规类型事务：存储器到外设、外设到存储器或存储器到存储器的传输。
● 双缓冲区类型事务：使用存储器的两个存储器指针的双缓冲区传输（当 DMA 正在进行自/至缓冲区的读/写操作时，应用程序可以进行至/自其它缓冲区的写/读操作）。要传输的数据量（多达 65535）可以编程，并与连接到外设 AHB 端口的外设（请求 DMA 传输）的源宽度相关。每个事务完成后，包含要传输的数据项总量的寄存器都会递减。
DMA_SxCR 寄存器控制数据流到底使用哪一个通道，每个数据流有 8 个通道可供选择，每次只能选择其中一个通道进行 DMA 传输。

十、DMA 通道

每个通道都可以在有固定地址的外设寄存器和存储器地址之间执行DMA传输。
DMA传输的数据量是可编程的，最大达到65535。
包含要传输的数据项数量的寄存器，在每次传输后递减。

可编程的数据量

外设和存储器的传输数据量可以通过DMA_CCRx寄存器中的PSIZE和MSIZE位编程。

指针增量

通过设置DMA_CCRx寄存器中的PINC和MINC标志位，外设和存储器的指针在每次传输后可以有选择地完成自动增量。
当设置为增量模式时，下一个要传输的地址将是前一个地址加上增量值，增量值取决与所选的数据宽度为1、2或4。
第一个传输的地址是存放在DMA_CPARx /DMA_CMARx寄存器中地址。
在传输过程中，这些寄存器保持它们初始的数值，软件不能改变和读出当前正在传输的地址(它在内部的当前外设/存储器地址寄存器中)。
当通道配置为非循环模式时，传输结束后(即传输计数变为0)将不再产生DMA操作。
要开始新的DMA传输，需要在关闭DMA通道的情况下，在DMA_CNDTRx寄存器中重新写入传输数目。
在循环模式下，最后一次传输结束时，DMA_CNDTRx寄存器的内容会自动地被重新加载为其初始数值，内部的当前外设/存储器地址寄存器也被重新加载为DMA_CPARx/DMA_CMARx寄存器设定的初始基地址。

通道配置过程

在DMA_CPARx寄存器中设置外设寄存器的地址。发生外设数据传输请求时，这个地址将是数据传输的源或目标。
在DMA_CMARx寄存器中设置数据存储器的地址。发生外设数据传输请求时，传输的数据将从这个地址读出或写入这个地址。
在DMA_CNDTRx寄存器中设置要传输的数据量。在每个数据传输后，这个数值递减。
在DMA_CCRx寄存器的PL[1:0]位中设置通道的优先级。
在DMA_CCRx寄存器中设置数据传输的方向、循环模式、外设和存储器的增量模式、外设和存储器的数据宽度、传输一半产生中断或传输完成产生中断。
设置DMA_CCRx寄存器的ENABLE位，启动该通道。一旦启动了DMA通道，它既可响应连到该通道上的外设的DMA请求。

当传输一半的数据后，半传输标志(HTIF)被置1，当设置了允许半传输中断位(HTIE)时，将产生一个中断请求。
在数据传输结束后，传输完成标志(TCIF)被置1，当设置了允许传输完成中断位(TCIE)时，将产生一个中断请求。

十一、DMA中断

每个DMA通道都可以在DMA传输过半、传输完成和传输错误时产生中断。
DMA使能开启，通过查询上述标志来获得当前 DMA 传输的状态
常用的是 TCIFx位，即数据流 x 的 DMA 传输完成与否标志。

十二、可编程的数据传输宽度、对齐方式和数据大小端

当PSIZE和MSIZE不相同时，DMA模块按照下表进行数据对齐。

DMA 配置部分

DMA配置参数包括：通道地址、优先级、数据传输方向、存储器/外设数据宽度、存储器/外设地址是否增量、循环模式、数据传输量。

一、DMA库函数

1.1 DMA初始化函数

DMA_DeInit(DMAX_ChannelX);
功能：将DMAyChannelx寄存器的初始化为其默认值

注释：RCC_ResetCmd中对DMA无定义，因此采用的直接操纵DMA寄存器的方式

void DMA_Init(DMA_Channel_TypeDef* DMAy_Channelx,  DMA_InitTypeDef* DMA_InitStruct) 
功能：设置要开启的通道，还有一些参数，包括外设基地址，存储器基地址，传输的数据量，增量模式，数据宽度等。

结构体代码介绍：

点击查看代码

typedef struct {  
   uint32_t DMA_PeripheralBaseAddr;   
   /*设置DMA源地址*/
   uint32_t DMA_MemoryBaseAddr;       
   /*设置DMA目的地址*/
   uint32_t DMA_DIR; 
   /* 设置数据传输方向，决定是从外设读取数据到内存还送从内存读取数 据发送到外设，也就是外设是源地还是目的地*/                       
   uint32_t DMA_BufferSize;      
   /*设置传输大小*/    
   uint32_t DMA_PeripheralInc;       
   /*设置ReceiveBuff地址是否自增*/      
   uint32_t DMA_MemoryInc; 
   /*设置传输数据时候内存地址是否递，需要开启*/       
   uint32_t DMA_PeripheralDataSize;   
   /*外设的数据长度是为字节传输（8bits），半 字传输(16bits) 还是字传输(32bits) */    
   uint32_t DMA_MemoryDataSize;    
   /*设置内存的数据长度*/
   uint32_t DMA_Mode;      
   /*设置DMA的模式，正常模式/循环模式  是否循环发送*/        
   uint32_t DMA_Priority; 
   /*设置 DMA 通道的优先级，有低，中，高，超高四种模式*/        
   uint32_t DMA_M2M;    
   /*设置是否是存储器到存储器模式传输，*/       
}DMA_InitTypeDef;

1.2 DMA使能函数

void DMA_Cmd(DMA_Channel_TypeDef* DMAy_Channelx, FunctionalState  NewState);
功能：使能或者失能DMA外设

例如：DMA_Cmd(DMA1_Channel1 , ENABLE);

1.3 DMA中断使能函数

void DMA_ITConfig(DMA_Channel_TypeDef* DMAy_Channelx, uint32_t DMA_IT,  FunctionalState NewState);
功能：配置指定的DMAy通道x的中断

注释：DMA_IT_TC：传输完成 DMA_IT_HT：传输一半 DMA_IT_TE：传输错误

例如：DMA_ITConfig(DMA1_Channel1 , DMA_IT_TC , ENABLE);

1.4 设置CNDTRx和读CNDTRx函数 (通道传输数据量)

void DMA_SetCurrDataCounter(DMA_Channel_TypeDef* DMAy_Channelx, uint16_t  DataNumber);
uint16_t DMA_GetCurrDataCounter(DMA_Channel_TypeDef* DMAy_Channelx);
作用：前者设置DMA通道的传输数据量（DMA处于关闭状态）；后者获取当前DMA通道传输剩余数据量（DMA处于开启状态）。

二、DMA 库函数配置过程

使能DMA时钟：RCC_AHBPeriphClockCmd();
初始化DMA通道：DMA_Init();
//设置通道；传输地址；传输方向；传输数据的数目；传输数据宽度；传输模式；优先级；是否开启存储器到存储器。
使能外设DMA；
以串口为例：使能串口DMA发送，串口DMA使能函数。调用函数：USART_DMACmd()；
使能DMA通道传输；函数：DMA_Cmd()；
查询DMA传输状态。函数：DMA_GetFlagStatus()；
获取当前剩余数据量大小函数：DMA_GetCurrDataCounter(DMA1_Channel4);

三、 UART DMA 传输

DMA就是一个搬运工，可以将数据从一个位置搬运到另一个位置。
以UART为例，如果要接收数据，会触发UART中断，然后CPU介入，在中断中通过CPU将UART输入寄存器的值读出来，存放到内存中；
DMA方式，产生UART中断后，DMA直接参与，把UART输入寄存器的值搬运到内存中，CPU只需要在去检查内存的值就好了，这样提高了CPU的效率。

3.1 DMA 代码配置

DMA初始化配置

void dma_init()
{
  DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
  RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1,ENABLE);

  /*DMA配置*/
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = USART1_DR_Base;//串口数据寄存器地址
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)SendBuff; //内存地址(要传输的变量的指针)
  DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; //方向(从内存到外设)
  DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 500; //传输内容的大小
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设地址不增
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; //内存地址自增
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize =
  DMA_PeripheralDataSize_Byte ; //外设数据单位
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize =
  DMA_MemoryDataSize_Byte ; //内存数据单位
  DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal ; //DMA模式：一次传输，循环
  DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium ; //优先级：高
  DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable; //禁止内存到内存的传输
 
  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缓存的大小
  DMA_ITConfig(DMA1_Channel4,DMA_IT_TC,ENABLE);//配置DMA发送完成后产生中断
}

DMA中断

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

main函数

#define SEND_BUF_SIZE 500 //发送数据长度,最好等于sizeof(TEXT_TO_SEND)+2的整数倍.

u8 SendBuff[SEND_BUF_SIZE]; //发送数据缓冲区
const u8 TEXT_TO_SEND[]={"STM32F1 DMA 串口实验"};
 uint16_t i;
int main(void)
{
    uart_init(115200);   //串口初始化为115200

    for(i=0;i<500;i++)
    {
       SendBuff[i] = 0xaf;
    }
    USART_DMACmd(USART1,USART_DMAReq_Tx,ENABLE);  //使能串口dma传输

    while(1);
}

posted @ 2023-05-16 19:49 登云上人间阅读(237) 评论(0) 编辑收藏举报

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