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【经验分享】STM32之DMA

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STMCU小助手 发布时间:2022-1-12 20:14
一、DMA简介
1、DMA简介
  DMA(Direct Memory Access:直接内存存取)是一种可以大大减轻CPU工作量的数据转移方式。
  CPU有转移数据、计算、控制程序转移等很多功能,但其实转移数据(尤其是转移大量数据)是可以不需要CPU参与。比如希望外设A的数据拷贝到外设B,只要给两种外设提供一条数据通路,再加上一些控制转移的部件就可以完成数据的拷贝。
  DMA就是基于以上设想设计的,它的作用就是解决大量数据转移过度消耗CPU资源的问题。有了DMA使CPU更专注于更加实用的操作--计算、控制等。
2、DMA的工作原理
  DMA的作用就是实现数据的直接传输,而去掉了传统数据传输需要CPU寄存器参与的环节,主要涉及四种情况的数据传输,但本质上是一样的,都是从内存的某一区域传输到内存的另一区域(外设的数据寄存器本质上就是内存的一个存储单元)。四种情况的数据传输如下:
  • 外设到内存
  • 内存到外设
  • 内存到内存
  • 外设到外设
    " y2 V3 N; |5 p+ C! I, X
    2 k2 f6 f# G4 W. n0 S& Q/ y/ ?  `
  当用户将参数设置好,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,传输的终点就是剩余传输数据量为0(循环传输不是这样的)。换句话说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。  
3、DMA是否影响CPU的运行
  在X86架构系统中,当DMA运作时(假设我们从磁盘拷贝一个文件到U盘),DMA实际上会占用系统总线周期中的一部分时间。也就是说,在DMA未开启前,系统总线可能完全被CPU使用;当DMA开启后,系统总线要为DMA分配一定的时间,以保证DMA和CPU同时运作。那么显然,DMA会降低CPU的运行速度。
  在STM32控制器中,芯片采用Cortex-M3架构,总线结构有了很大的优化,DMA占用另外的总线,并不会与CPU的系统总线发生冲突。也就是说,DMA的使用不会影响CPU的运行速度。
二、STM32的DMA结构
1、DMA的主要特性
● 12个 独立的可配置的通道(请求)DMA1有7个通道,DMA2 有5个通道
6 I/ e3 T% |7 T% ~% e9 h6 C● 每个通道都直接连接专用的硬件DMA请求,每个通道都同样支持软件触发。这些功能通过5 C4 T( J, x" \* g  h
软件来配置。9 o3 G! t- P$ b% w  ]
● 在七个请求间的优先权可以通过软件编程设置(共有四级:很高、高、中等和低),假如在相
+ Y" h1 v; d4 C3 T) V4 Y等优先权时由硬件决定(请求0优先于请求1,依此类推) 。- {. ~3 c& @$ J. Y, w
● 独立的源和目标数据区的传输宽度(字节、半字、全字),模拟打包和拆包的过程。源和目标2 z6 ]- v2 F4 t5 ]4 O' h
地址必须按数据传输宽度对齐。
: e7 f1 ^' D( K; z: f● 支持循环的缓冲器管理6 @" _  V' N8 x" ^& G
● 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),这3个事件标志( s, Y- j6 c$ X1 K, b
逻辑或成为一个单独的中断请求。% E. V; @, ^( ~7 |1 k
● 存储器和存储器间的传输
9 W, ?) D! D, V5 B● 外设和存储器,存储器和外设的传输3 V1 z" h: p& B7 z# \/ b  |7 |
● 闪存、SRAM 、外设的SRAM 、APB1 APB2和AHB外设均可作为访问的源和目标。
9 A  c! _2 F; N/ n2 K% E% `● 可编程的数据传输数目:最大为65536
下面为功能框图:

6 f8 q/ t5 V' x1 E
211431529658805.png
: @1 Z. r$ e# G1 \9 i. K$ z- u
2、两个DMA控制器结构
① DMA1 controller

% a, l3 P/ O- h
211458074189733.png

( k. c8 Y, r; Z' H+ @% c
② DMA2 controller

# i  |( ?3 }0 j. m( H
211458540128699.png

: L# z7 u; p5 L( A+ N
3、DMA寄存器列表
211442253242949.png
① 中断类
DMA_ISR:   DMA中断状态寄存器
DMA_IFCR:  DMA中断标志位清除寄存器
说明:  DMA1、DMA2分别有一组寄存器。
② 控制传输类
DMA_CCRx:   DMA通道x配置寄存器 
DMA_CNDTRx:  DMA通道x数据数量寄存器
DMA_CPARx:   DMA通道x外设地址寄存器
DMA_CMARx:  DMA通道x内存地址寄存器
说明:   
1> 每一个通道都有一组寄存器。
2> DMA_CPARx、DMA_CMARx是没有差别的,它们都可以存放外设的地址、内存的地址。DMA_CPARx、DMA_CMARx只不过起得名字有差别而已。
4、STM32的DMA工作特点
① DMA进行数据传输的必要条件
  • 剩余传输数据量大于0
  • DMA通道传输使能
  • 通道上DMA数据传输有事件请求# \7 G) ?  v9 h1 K
    1 o; e- a2 T5 D( P# w' G
前两者都好理解,对于第三点确实需要详细的解释,请看下边的三条。
② 外设到XX方向的传输
  假设是ADC到存储器的数据传输,显然ADC的DMA传输的源地址是ADC的数据寄存器。并不是说只要DMA通道传输使能后,就立即进行数据传输。只有当一次ADC转化完成,ADC的DMA通道的传输事件有效,DMA才会从ADC的数据寄存器读出数据,写入目的地址。当DMA在读取ADC的数据寄存器时,同时使ADC的DMA通道传输事件无效。显然,要等到下一次ADC转换完成后,才能启动再一次的数据传输。
③存储器对XX的DMA传输
  因为数据是准备好的,不像ADC还需要等待数据到位。所以,不需要对应通道的事件。只要使能DMA数据传输就一直传输,直到达到设定的传输量。
example:
1.内存到内存
  DMA传输请求一直有效
2.内存到串口
  DMA传输请求一直有效
一种解释:
  存储器对存储器的置位,就相当于相应通道的事件有效。 对应通道的事件有效和存储器对存储器的置位,就是传输的触发位。每次传输的事件置位一次,完成一次传输。如果是由外设引发的DMA传输,则传输完成后,相应传输事件会置为无效,而存储器对存储器的传输,则一次传输完成后,相应事件一直有效,直至完成设定的传输量。               
④外设以DMA方式工作时,能否再以软件方式进行操作?
  有一点是肯定的,当外设以DMA方式正在数据传输时,不可能再相应CPU的软件控制命令,否则这不符合逻辑。
  但是,倘若外设仅仅配置成DMA工作方式,但是DMA请求并未产生,数据传输并没有进行。此时,软件控制命令仍然能够对外设进行控制。这是笔者在串口以DMA方式发送数据情形下,所得到的测试结论。
三、STM32的DMA软件编程
1、“内存到内存”模式传输
初始化配置
  1. uint8_t SendBuff[SENDBUFF_SIZE];8 y, b  L% z3 e0 V, @6 l! {
  2. uint8_t ReceiveBuff[RXBUFF_SIZE];
    & c2 g* @5 C' _9 U: L
  3. /**4 @  U. R+ U& H$ e( M: q6 k
  4.   * @brief  USART1 TX DMA 配置,内存到内存& ]3 x. [  H6 d2 K$ e' v1 [
  5.   * @param  无0 Y# ]4 u, b; D& r) `6 Z; \
  6.   * @retval 无: t5 y) ?: H8 [7 r
  7.   */
    3 @# H3 d0 ]! c/ k# V
  8. void DMA_Mem2Mem_Config(void)
    - u- R7 D. V: k4 P+ _4 @
  9. {
      ~) q  t0 C3 G& Z& J# ^' @; `
  10.         DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;  S! j8 x* o5 V3 r# u
  11.     7 w; o$ l7 R" i
  12.         /*开启DMA时钟*/
    / ?3 ]$ N# Z: I0 J
  13.         RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);   
    9 ]4 W5 P* {! A! ]. D
  14. + j) u# V3 i: [7 H6 T
  15.         /*设置DMA源地址*/
    ( ~, Z. Y1 h+ X+ U  u, F
  16.         DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)SendBuff;
    & k/ c: \( O: m' j) z; z
  17. 4 O+ `5 y* y* e7 L, ]
  18.         /*设置DMA目的地址*/
    5 \- ?* N  Z8 A
  19.         DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr =  (uint32_t)ReceiveBuff;      
    ( _1 I# e5 P* D9 ~8 _, M

  20. 7 n3 q8 \% i8 T1 a; s
  21.         /*方向:从内存SendBuff到内存ReceiveBuff*/        
    6 k2 G- L4 J0 _3 L) }( [# K
  22.         DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;   
    + `9 r! C( w- G! b  M" ^

  23. 1 d% q9 ^* `2 m" b1 t; w9 \* F: @6 B
  24.         /*传输大小DMA_BufferSize=SENDBUFF_SIZE*/    * E: _: }9 W4 q$ S) c# x! M
  25.         DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = SENDBUFF_SIZE;* m7 }% B6 Y2 d7 B. n

  26. 3 l2 @7 t% F" g7 N
  27.         /*ReceiveBuff地址自增*/      0 P! B0 r+ y+ H$ Q
  28.         DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Enable;
    1 T8 U+ V- P8 G# a
  29. : g9 u2 U( w, _
  30.         /*SENDBUFF_SIZE地址自增*/0 k: v% O( \8 n7 S1 S$ v
  31.         DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;   
    9 l. E9 d! e: y4 }. L

  32. 7 T) C& |4 o2 a  K7 F# s
  33.         /*ReceiveBuff数据单位*/   
    7 e) b  s8 |, m% H' H1 ]
  34.         DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    & Y8 b) f/ U2 A8 B

  35. 6 W( [$ R2 z( E9 C0 d0 b5 `
  36.         /*SENDBUFF_SIZE数据单位*/
    8 Q4 i) J' T2 S0 ~7 x3 F9 P
  37.         DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;     3 L/ o9 X/ |- y7 E! P
  38. 3 n3 S" Y6 }5 `9 b; x4 k
  39.         /*DMA模式:正常模式*/- j2 J5 c/ V1 N; l
  40.         DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal ;2 W* n5 ^& g* Y4 ?+ p8 w

  41. 8 R3 _; L2 `9 V3 f7 R# E
  42.         /*优先级:中*/    ) A9 ?2 ~3 P: j( {! ~9 f
  43.         DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium;  2 ~" S9 V( `1 ^) U  I

  44. 1 o: p7 d- m% _1 j/ A1 n# ?
  45.         /*使能内存到内存的传输    */9 ~' e8 h6 M1 J* N
  46.         DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Enable;
    & \: F2 j8 ~. ?- ]; G, z

  47. ( L& ~6 O! X' E5 f$ h9 E8 {4 J3 u6 s9 M
  48.         /*配置DMA1的4通道*/           
    ( g6 d8 d# C8 U/ }" e0 {5 Q% m
  49.         DMA_Init(DMA1_Channel4, &DMA_InitStructure);        # A9 [) O. _( i
  50.         9 w; f8 Z1 e8 y6 ~! Z( i- Z
  51.         /*失能DMA1的4通道,一旦使能就开始传输*/
    $ n7 N6 t% a: C5 C1 T  x7 D
  52.         DMA_Cmd (DMA1_Channel4,DISABLE); 5 X% x+ k, ?6 p! W" V
  53. }
复制代码

" ?) ]5 \" P; ]
DMA中断配置
  1. /**
    3 ]" B$ n- J4 `" G' X0 q; g
  2.   * @brief  DMA 中断配置- `8 M+ k. Y; \  Y8 h
  3.   * @param  无$ t5 M6 }  n# K, `1 u
  4.   * @retval 无/ b4 f5 f5 t, }* i- }2 i+ u; N
  5.   */
    ; x9 S3 b/ F8 v
  6. void DMA_NVIC_Configuration(void)
      N# X3 o2 D$ u9 M$ p
  7. {                                                                     
    ! ~& A! p; @% {6 S
  8.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;            : y- A; O2 ~, G# L- u7 u
  9.    
    % W/ S# W) H2 R$ }+ j/ u9 ]
  10.     /* 配置中断源 */1 l/ Q) h% [0 n
  11.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel4_IRQn;6 z* [, o7 e: G' ]
  12.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;4 t5 e3 g$ J* s2 i/ V
  13.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    * w! V) C& M" y1 v: L, K& J  c( y% M
  14.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    / ^' J0 J# V( ^, t! ^) a
  15.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);    2 d0 ^4 J, n( A! ]8 V* f7 w, h

  16. 7 E5 T& }; C1 d* w
  17.     /* 配置DMA发送完成后产生中断 */            
    # E# R) f8 ?, ^# n' R
  18.     DMA_ITConfig(DMA1_Channel4,DMA_IT_TC,ENABLE);. q2 M4 s  j! P- D
  19. }
复制代码

3 [* v" E7 U. J5 z* W
③启动传输
  1. DMA_Cmd (DMA1_Channel4,ENABLE);
复制代码

! p  I/ ~# r, |. C* a
2、利用DMA实现循环传输
方法1:单次传输模式
  当传输结束时,触发DMA中断,在中断程序中首先失能DMA通道,然后修改该通道的传输数据量。最后重新使能DMA通道,注意只有失能的DMA通道才能成功修改传输数据量。
方法2:循环传输模式
  当传输结束时,硬件自动会将传输数据量寄存器进行重装,进行下一轮的数据传输。
四、再谈STM32的DMA传输是否影响CPU的运行速度
  声明:经过笔者测试,当DMA工作在内存到外设的传输和内存到内存的传输时,都不会影响CPU的运行速度。为了给这种现象一个合理的解释,笔者做以下猜测:
1、S3C2440的DMA传输
  S3C2440的SDRAM是外置的,并且SDRAM的数据线、地址线、控制线总共只有一组。假设DMA传输的方向是内存到外设,当DMA运作时,需要占用SDRAM的三类线才才能实现传输;而与此同时CPU也需要通过这三类线来访问SDRAM来读取程序、读写数据。
  显然,DMA的运行与CPU的运行有交叉点,DMA就会影响到CPU的运行。
2、STM32的DMA传输
  STM32与S3C2440的区别是很大的,S3C2440是微处理器,RAM外置且空间很大;STM32是微控制器,RAM片内集成且空间较小。此时,ST公司就有可能提升DMA的运作效率,使DMA的工作不影响到CPU的运行。
  外设与外设之间的DMA传输,因为与CPU的运行没有交叉点(CPU的数据流注意是在Flash、内存、寄存器中传输),所以不会影响CPU的运行速度。唯一有可能影响的是外设与内存或者内存与内存之间的DMA传输。
  倘若ST公司的SRAM是一个双口RAM,也就是同时可以由两组接口对RAM进行访问,就可以很好的解决速度影响问题。倘若CPU恒定占有一组接口,而另一组接口留给DMA控制器。那么当外设与内存或者内存与内存之间的DMA传输时,由于不与CPU的访问SRAM接口冲突,所以可以解决速度影响问题。
  但其实偶尔还是会影响的,当CPU访问SRAM的空间和DMA访问SRAM的空间相同时,SRAM势必会对这种情况进行仲裁,这可能会影响到CPU的访问SRAM的速度。其实,这种情况的概率也是很小的,所以即使影响CPU的运行速度,也不会很大。

7 k2 h, k! F3 Z$ F0 ^
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