STM32 DMA學習日記

寫于2024/9/28晚

1. DMA簡介

DMA，全稱為：Direct Memory Access，即直接存儲器訪問。DMA 傳輸方式無需 CPU 直接控制傳輸，也沒有中斷處理方式那樣保留現(xiàn)場和恢復現(xiàn)場的過程，通過硬件為 RAM 與 I/O 設(shè)備開辟一條直接傳送數(shù)據(jù)的通路，能使 CPU 的效率大為提高。是計算機的4種I/O方式中的一種。

2. I/O方式

輸入/輸出系統(tǒng)實現(xiàn)主機與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送，可以采用不同的控制方式，各種方式在代價、性能、解決問題的著重點等方面各不相同，常用的I/O方式有程序查詢、程序中斷、DMA和通道等，其中前兩種方式更依賴于CPU中程序指令的執(zhí)行。下面我們來簡介一下計算機組成原理中的4中I/O方式中的前三種。

2.1 程序查詢方式

信息交換的控制完全由CPU執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)，程序查詢方式接口中設(shè)置一個數(shù)據(jù)緩沖寄存器(數(shù)據(jù)端口)和一個設(shè)備狀態(tài)寄存器(狀態(tài)端口)。主機進行I/O操作時，先發(fā)出詢問信號，讀取設(shè)備的狀態(tài)并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)決定下一步操作究竟是進行數(shù)據(jù)傳送還是等待。

程序查詢方式的工作流程如下(見圖7.2):

• ①CPU執(zhí)行初始化程序，并預置傳送參數(shù)。
• ②向I/O接口發(fā)出命令字，啟動I/O設(shè)備。
• ③從外設(shè)接口讀取其狀態(tài)信息。
• ④CPU不斷查詢I/O設(shè)備狀態(tài)，直到外設(shè)準備就緒。
• ⑤傳送一次數(shù)據(jù)。
• ⑥修改地址和計數(shù)器參數(shù)。
• ⑦判斷傳送是否結(jié)束，若未結(jié)束轉(zhuǎn)第③步，直到計數(shù)器為0

在這種控制方式下，CPU一旦啟動I/O,就必須停止現(xiàn)行程序的運行，并在現(xiàn)行程序中插入一段程序。程序查詢方式的主要特點是CPU有“踏步”等待現(xiàn)象，CPU與I/O串行工作。這種方式的接口設(shè)計簡單、設(shè)備量少，但CPU在信息傳送過程中要花費很多時間來查詢和等待，而且在一段時間內(nèi)只能和一臺外設(shè)交換信息，效率大大降低。

2.2 程序中斷方式

程序中斷方式的思想：CPU在程序中安排好在某個時機啟動某臺外設(shè)，然后CPU繼續(xù)執(zhí)行當前的程序，不需要像查詢方式那樣一直等待外設(shè)準備就緒。一旦外設(shè)完成數(shù)據(jù)傳送的準備工作，就主動向CPU發(fā)出中斷請求，請求CPU為自己服務。在可以響應中斷的條件下，CPU暫時中止正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務程序為外設(shè)服務，在中斷服務程序中完成一次主機與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送，傳送完成后，CPU返回原來的程序，如圖7.3所示。

2.3 DMA方式

DMA方式是一種完全由硬件進行成組信息傳送的控制方式，它具有程序中斷方式的優(yōu)點，即在數(shù)據(jù)準備階段，CPU與外設(shè)并行工作。DMA方式在外設(shè)與內(nèi)存之間開辟一條“直接數(shù)據(jù)通道”,信息傳送不再經(jīng)過CPU,降低了CPU在傳送數(shù)據(jù)時的開銷，因此稱為直接存儲器存取方式。

由于數(shù)據(jù)傳送不經(jīng)過CPU,也就不需要保護、恢復CPU現(xiàn)場等煩瑣操作。

這種方式適用于磁盤、顯卡、聲卡、網(wǎng)卡等高速設(shè)備大批量數(shù)據(jù)的傳送，它的硬件開銷比較大。在DMA方式中，中斷的作用僅限于故障和正常傳送結(jié)束時的處理。

DMA控制器的組成
在DMA方式中，對數(shù)據(jù)傳送過程進行控制的硬件稱為DMA控制器(DMA接口)。當I/O設(shè)備需要進行數(shù)據(jù)傳送時，通過DMA控制器向CPU提出DMA傳送請求，CPU響應之后將讓出系統(tǒng)總線，由DMA控制器接管總線進行數(shù)據(jù)傳送。其主要功能如下：

1. 接受外設(shè)發(fā)出的DMA請求，并向CPU發(fā)出總線請求。
2. CPU響應并發(fā)出總線響應信號，DMA接管總線控制權(quán)，進入DMA操作周期。
3. 確定傳送數(shù)據(jù)的主存單元地址及長度，并自動修改主存地址計數(shù)和傳送長度計數(shù)。
4. 規(guī)定數(shù)據(jù)在主存和外設(shè)間的傳送方向，發(fā)出讀寫等控制信號，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操作。
5. 向CPU報告DMA操作結(jié)束。

DMA方式和中斷方式的區(qū)別
DMA方式和中斷方式的重要區(qū)別如下：
①中斷方式是程序的切換，需要保護和恢復現(xiàn)場；而DMA方式不中斷現(xiàn)行程序，無需保護現(xiàn)場，除了預處理和后處理，其他時候不占用任何CPU資源。
②對中斷請求的響應只能發(fā)生在每條指令執(zhí)行結(jié)束時(執(zhí)行周期后);而對DMA請求的響應可以發(fā)生在任意一個機器周期結(jié)束時(取指、間址、執(zhí)行周期后均可)。
③中斷傳送過程需要CPU的干預；而DMA傳送過程不需要CPU的干預，因此數(shù)據(jù)傳輸率非常高，適合于高速外設(shè)的成組數(shù)據(jù)傳送。④DMA請求的優(yōu)先級高于中斷請求。
⑤中斷方式具有處理異常事件的能力，而DMA方式僅局限于大批數(shù)據(jù)的傳送。
⑥從數(shù)據(jù)傳送來看，中斷方式靠程序傳送，DMA方式靠硬件傳送。

3.DMA框圖

STM32F103ZET6 有兩個 DMA 控制器，DMA1 和 DMA2，本章，我們僅針對 DMA1 進行介紹。

下面先來學習 DMA 控制器框圖，通過學習 DMA 控制器框圖會有一個很好的整體掌握，同時對之后的編程也會有一個清晰的思路。

圖中，我們標記了 3 處位置，起作用分別是：

① DMA 請求

如果外設(shè)想要通過 DMA 來傳輸數(shù)據(jù)，必須先給 DMA 控制器發(fā)送 DMA 請求，DMA 收到請求信號之后，控制器會給外設(shè)一個應答信號，當外設(shè)應答后且 DMA 控制器收到應答信號之后，就會啟動 DMA 的傳輸，直到傳輸完畢。

STM32F103 共有 DMA1 和 DMA2 兩個控制器，DMA1 有 7 個通道，DMA2 有 5 個通道，不同的 DMA 控制器的通道對應著不同的外設(shè)請求，這決定了我們在軟件編程上該怎么設(shè)置，具體見表 29.1.1.1DMA 請求映像表。

② 通道

DMA 具有 12 個獨立可編程的通道，其中 DMA1 有 7 個通道，DMA2 有 5 個通道，每個通道對應不同的外設(shè)的 DMA 請求。雖然每個通道可以接收多個外設(shè)的請求，但是同一時間只能接收一個，不能同時接收多個。

③ 仲裁器

當發(fā)生多個 DMA 通道請求時，就意味著有先后響應處理的順序問題，這個就由仲裁器管理。仲裁器管理 DMA 通道請求分為兩個階段。第一階段屬于軟件階段，可以在 DMA_CCRx寄存器中設(shè)置，有 4 個等級：非常高，高，中和低四個優(yōu)先級。第二階段屬于硬件階段，如果兩個或以上的 DMA 通道請求設(shè)置的優(yōu)先級一樣，則他們優(yōu)先級取決于通道編號，編號越低優(yōu)先權(quán)越高，比如通道 0 高于通道 1。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。

4. 相關(guān)寄存器

4.1 DMA中斷狀態(tài)寄存器（DMA_ISR）

該寄存器是查詢當前 DMA 傳輸?shù)臓顟B(tài)，我們常用的是 TCIFx 位，即通道 DMA 傳輸完成與否的標志。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。

4.2 DMA中斷標志清除寄存器（DMA_IFCR）

該寄存器是用來清除 DMA_ISR 的對應位的，通過寫 0 清除。在 DMA_ISR 被置位后，我們必須通過向該寄存器對應的位寫 1 來清除。

4.3 DMA通道x傳輸數(shù)量寄存器（DMA_CNDTRx）

4.4 DMA通道x配置寄存器（DMA_CCRx）

該寄存器控制著 DMA 很多相關(guān)信息，包括數(shù)據(jù)寬度、外設(shè)及存儲器寬度、通道優(yōu)先級、增量模式、傳輸方向、中斷允許、使能等，所以說 DMA_CCRx 是 DMA 傳輸?shù)暮诵目刂萍拇嫫鳌?/p>

4.5 DMA通道x外設(shè)地址寄存器（DMA_CPARx）

該寄存器是用來存儲 STM32 外設(shè)的地址，比如我們平常使用串口 1，那么該寄存器必須寫入 0x40013804（其實就是&USART1_DR）。其他外設(shè)就可以修改成其他對應外設(shè)地址就好了。

4.6 DMA通道x存儲器地址寄存器（DMA_CMARx）

DMA通道x存儲器地址寄存器用來存放存儲器的地址，該寄存器和 DMA_CPARx差不多，所以就不列出來了。舉個應用的例子，在程序中，我們使用到一個 g_sendbuf[5200]數(shù)組來做存儲器，那么我們在 DMA_CMARx 中寫入&g_sendbuf 即可。

5.例程解析

5.1 DMA相關(guān)HAL庫驅(qū)動介紹

驅(qū)動函數(shù)	關(guān)聯(lián)寄存器	功能描述
__HAL_RCC_DMAx_CLK_ENABLE(…)	RCC_AHBENR	使能DMAx時鐘
HAL_DMA_Init(…)	DMA_CCR	初始化DMA
HAL_DMA_Start_IT(…)	DMA_CCR/CPAR/CMAR/CNDTR	開始DMA傳輸
__HAL_LINKDMA(…)		用來連接DMA和外設(shè)句柄
HAL_UART_Transmit_DMA(…)	CCR/CPAR/CMAR/CNDTR/USART_CR3	使能DMA發(fā)送，啟動傳輸
__HAL_DMA_GET_FLAG(…)	DMA_ISR	查詢DMA傳輸通道的狀態(tài)
__HAL_DMA_ENABLE(…)	DMA_CCR(EN)	使能DMA外設(shè)
__HAL_DMA_DISABLE(…)	DMA_CCR(EN)	失能DMA外設(shè)

DMA外設(shè)相關(guān)結(jié)構(gòu)體：DMA_HandleTypeDef 和 DMA_InitTypeDef

typedef struct __DMA_HandleTypeDef
{DMA_Channel_TypeDef   *Instance;               /*!< Register base address 寄存器基地址 */DMA_InitTypeDef       Init;                     /*!< DMA communication parameters DMA參數(shù) */ } DMA_HandleTypeDef;    

typedef struct
{uint32_t Direction				/* DMA傳輸方向 */uint32_t PeriphInc				/* 外設(shè)地址(非)增量 */uint32_t MemInc					/* 存儲器地址(非)增量*/uint32_t PeriphDataAlignment	/* 外設(shè)數(shù)據(jù)寬度 */uint32_t MemDataAlignment		/* 存儲器數(shù)據(jù)寬度 */uint32_t Mode					/* 操作模式 */uint32_t Priority				/* DMA通道優(yōu)先級 */} DMA_InitTypeDef;

以DMA方式傳輸串口數(shù)據(jù)配置步驟

1. 使能DMA時鐘:__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE
2. 初始化DMA:HAL_DMA_Init函數(shù)初始化DMA相關(guān)參數(shù) __HAL_LINKDMA函數(shù)連接DMA和外設(shè)
3. 使能串口的DMA發(fā)送，啟動傳輸:HAL_UART_Transmit_DMA
4. 查詢DMA傳輸狀態(tài):__HAL_DMA_GET_FLAG 查詢通道傳輸狀態(tài) __ HAL_DMA_GET_COUNTER 獲取當前傳輸剩余數(shù)據(jù)量
5. DMA中斷使用:HAL_NVIC_EnableIRQ HAL_NVIC_SetPriority編寫中斷服務函數(shù) xxx_IRQHandler

DMA_HandleTypeDef  g_dma_handle;            /* DMA句柄 */
extern UART_HandleTypeDef g_uart1_handle;   /* UART句柄 *//*** @brief       串口TX DMA初始化函數(shù)*   @note      這里的傳輸形式是固定的, 這點要根據(jù)不同的情況來修改*              從存儲器 -> 外設(shè)模式/8位數(shù)據(jù)寬度/存儲器增量模式** @param       dmax_chy    : DMA的通道, DMA1_Channel1 ~ DMA1_Channel7, DMA2_Channel1 ~ DMA2_Channel5*                            某個外設(shè)對應哪個DMA, 哪個通道, 請參考<<STM32中文參考手冊 V10>> 10.3.7節(jié)*                            必須設(shè)置正確的DMA及通道, 才能正常使用! * @retval      無*/
void dma_init(DMA_Channel_TypeDef* DMAx_CHx)
{if ((uint32_t)DMAx_CHx > (uint32_t)DMA1_Channel7)     /* 大于DMA1_Channel7, 則為DMA2的通道了 */{__HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();                      /* DMA2時鐘使能 */}else {__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();                      /* DMA1時鐘使能 */}__HAL_LINKDMA(&g_uart1_handle, hdmatx, g_dma_handle);           /* 將DMA與USART1聯(lián)系起來(發(fā)送DMA) *//* Tx DMA配置 */g_dma_handle.Instance = DMAx_CHx;                               /* USART1_TX使用的DMA通道為: DMA1_Channel4 */g_dma_handle.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;             /* DIR = 1 , 存儲器到外設(shè)模式 */g_dma_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;                 /* 外設(shè)非增量模式 */g_dma_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;                     /* 存儲器增量模式 */g_dma_handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;    /* 外設(shè)數(shù)據(jù)長度:8位 */g_dma_handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;       /* 存儲器數(shù)據(jù)長度:8位 */g_dma_handle.Init.Mode = DMA_NORMAL;                            /* 外設(shè)流控模式 */g_dma_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM;               /* 中等優(yōu)先級 */HAL_DMA_Init(&g_dma_handle);
}

main.c

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./USMART/usmart.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/LCD/lcd.h"
#include "./BSP/KEY/key.h"
#include "./BSP/DMA/dma.h"const uint8_t TEXT_TO_SEND[] = {"正點原子 STM32 DMA 串口實驗"}; /* 要循環(huán)發(fā)送的字符串 */
#define SEND_BUF_SIZE       (sizeof(TEXT_TO_SEND) + 2) * 200    /* 發(fā)送數(shù)據(jù)長度, 等于sizeof(TEXT_TO_SEND) + 2的200倍. */uint8_t g_sendbuf[SEND_BUF_SIZE];           /* 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū) */
extern DMA_HandleTypeDef  g_dma_handle;     /* DMA句柄 */
extern UART_HandleTypeDef g_uart1_handle;   /* UART句柄 */int main(void)
{uint8_t  key = 0;uint16_t i, k;uint16_t len;uint8_t  mask = 0;float pro = 0;          /* 進度 */HAL_Init();                         /* 初始化HAL庫 */sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 設(shè)置時鐘, 72Mhz */delay_init(72);                     /* 延時初始化 */usart_init(115200);                 /* 串口初始化為115200 */led_init();                         /* 初始化LED */lcd_init();                         /* 初始化LCD */key_init();                         /* 初始化按鍵 */dma_init(DMA1_Channel4);            /* 初始化串口1 TX DMA */lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "DMA TEST", RED);lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "KEY0:Start", RED);len = sizeof(TEXT_TO_SEND);k = 0;for (i = 0; i < SEND_BUF_SIZE; i++) /* 填充ASCII字符集數(shù)據(jù) */{if (k >= len)   /* 入換行符 */{if (mask){g_sendbuf[i] = 0x0a;k = 0;}else{g_sendbuf[i] = 0x0d;mask++;}}else     /* 復制TEXT_TO_SEND語句 */{mask = 0;g_sendbuf[i] = TEXT_TO_SEND[k];k++;}}i = 0;while (1){key = key_scan(0);if (key == KEY0_PRES)       /* KEY0按下 */{printf("\r\nDMA DATA:\r\n");lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Start Transimit....", BLUE);lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "   %", BLUE);    /* 顯示百分號 */HAL_UART_Transmit_DMA(&g_uart1_handle, g_sendbuf, SEND_BUF_SIZE);/* 等待DMA傳輸完成，此時我們來做另外一些事情，比如點燈  * 實際應用中，傳輸數(shù)據(jù)期間，可以執(zhí)行另外的任務 */while (1){if ( __HAL_DMA_GET_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC4))   /* 等待 DMA1_Channel4 傳輸完成 */{__HAL_DMA_CLEAR_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC4);HAL_UART_DMAStop(&g_uart1_handle);                  /* 傳輸完成以后關(guān)閉串口DMA */break;}pro = DMA1_Channel4->CNDTR; /* 得到當前還剩余多少個數(shù)據(jù) */len = SEND_BUF_SIZE;        /* 總長度 */pro = 1 - (pro / len);      /* 得到百分比 */pro *= 100;                 /* 擴大100倍 */lcd_show_num(30, 150, pro, 3, 16, BLUE);} lcd_show_num(30, 150, 100, 3, 16, BLUE);    /* 顯示100% */lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Transimit Finished!", BLUE); /* 提示傳送完成 */}i++;delay_ms(10);if (i == 20){LED0_TOGGLE();  /* LED0閃爍,提示系統(tǒng)正在運行 */i = 0;}}
}