前言

很多刚接触 STM32、GD32、NXP、ESP32 或其他 MCU 的同学，第一次看到 DMA 时都会有点懵：

DMA 到底是什么？** 为什么开启 DMA 后，ADC、串口、SPI 就能“不占 CPU”传数据？ **DMA 是不是一个更快的 memcpy？** 为什么 DMA 还要配置源地址、目标地址、数据宽度、传输长度、自增模式？ **DMA 半传输中断、传输完成中断又是什么意思？

如果只背概念，DMA 很抽象。** 但如果从一个实际问题出发，它就很好理解。**

假设我们要连续采集 ADC，并把采样结果放进数组：

uint16_t adc_buf[1024];

不用 DMA 时，CPU 需要不断做这件事：

adc_buf[i++] = ADC_DR;

也就是 ADC 每转换一次，CPU 就要过来读一次寄存器、写一次内存。** 如果采样频率很高，CPU 会被这种重复搬运拖住。**

DMA 的作用就是：

让 CPU 先把搬运规则配置好，然后由 DMA 硬件自动把数据从外设搬到内存，或者从内存搬到外设。

一句话理解：

CPU 是指挥，DMA 是搬运工，外设和内存是货物的两端。

---

1. 没有 DMA 时，CPU 在做什么

先看一个不用 DMA 的 ADC 采样流程。

伪代码如下：

for (int i = 0; i < 1024; i++)
{
    Start_ADC_Convert();
    Wait_ADC_Complete();
    adc_buf[i] = Read_ADC_DataRegister();
}

CPU 做了很多重复工作：

• 启动转换
• 等待完成
• 读取 ADC 数据寄存器
• 写入内存数组
• 更新数组下标
• 判断是否采完

如果采样频率低，这样写没问题。** 但如果 ADC 采样很快，或者系统同时还要跑电机控制、通信协议、UI、算法任务，CPU 就会被数据搬运占用太多时间。**

串口接收也是类似问题。

不用 DMA 时，CPU 可能每收到一个字节就进一次中断：

void USART_IRQHandler(void)
{
    rx_buf[index++] = USART_DR;
}

如果串口数据量大，中断频率就会很高。** CPU 一直进中断，主程序自然就被打断得很碎。**

先看没有 DMA 的情况，CPU 基本是在替外设搬数据。

对比着看，DMA 的价值就更容易理解了：它把“搬数据”这件事从 CPU 手里拿走。

---

2. DMA 到底是什么

DMA 的全称是 ****Direct Memory Access**，直译是“直接内存访问”。**

这个名字容易让人误会，好像 DMA 只是访问内存。** 更准确地说，它是：**

MCU 内部的一个硬件数据搬运控制器，可以在不让 CPU 逐个搬运数据的情况下，在外设和内存之间传输数据。

常见传输方向有三种：

方向	例子
外设到内存	ADC 采样到数组、UART 接收到缓冲区
内存到外设	UART 发送数组、SPI 刷屏、DAC 输出波形
内存到内存	拷贝一段 RAM 数据，部分 MCU 支持

DMA 不是凭空工作的。** 它需要 CPU 先告诉它几件事：**

• 从哪里读数据
• 写到哪里去
• 每次搬几个字节
• 总共搬多少次
• 地址是否自动增加
• 谁来触发传输
• 搬完后要不要中断通知 CPU

这些就是我们在工程里配置 DMA 的本质。

---

3. DMA 在系统里的位置

先看系统结构图。

从图里可以看到，DMA 不是 CPU 的一条语句，也不是普通函数。** 它是 MCU 内部一个独立的硬件模块，并且和 CPU 一样可以访问总线。**

以 ADC 采样为例：

1. ADC 转换完成后，数据出现在 ADC 数据寄存器里
2. ADC 向 DMA 发出请求
3. DMA 通过总线读取 ADC 数据寄存器
4. DMA 再通过总线把数据写入 RAM 数组
5. 搬运达到指定数量后，DMA 置位标志或触发中断
6. CPU 在中断或回调里处理这块数据

所以 DMA 的核心不是“让数据消失在后台”，而是把原本 CPU 做的数据搬运交给硬件完成。

---

4. DMA 一次传输到底发生了什么

再看一次完整流程。

还是以 ADC → 内存 为例。

4.1 CPU 配置 DMA

CPU 先配置：

源地址：ADC 数据寄存器地址
目标地址：adc_buf 数组首地址
传输长度：1024
源数据宽度：16 bit
目标数据宽度：16 bit
源地址自增：不自增
目标地址自增：自增
模式：普通模式或循环模式

为什么 ADC 源地址不自增？

因为 ADC 数据永远从同一个寄存器读：

ADC_DR

为什么目标地址要自增？

因为每次采样值要依次写入数组：

adc_buf[0]
adc_buf[1]
adc_buf[2]
...

这就是 DMA 配置里“地址自增”的含义。

4.2 外设产生 DMA 请求

DMA 不一定自己主动搬。

对于 ADC、UART、SPI 这类外设，通常是外设事件触发 DMA：

• ADC 转换完成，触发一次 DMA 请求
• UART 收到一个字节，触发一次 DMA 请求
• UART 发送寄存器空，触发一次 DMA 请求
• SPI 接收缓冲非空，触发一次 DMA 请求
• SPI 发送缓冲空，触发一次 DMA 请求

每来一次请求，DMA 就按配置搬一次数据。

4.3 DMA 搬数据并更新计数器

DMA 每搬一次，会做几件事：

读取源地址
写入目标地址
根据配置更新地址
传输计数器减 1
判断是否半传输或传输完成

比如 ADC 采样到数组：

第 1 次：ADC_DR → adc_buf[0]
第 2 次：ADC_DR → adc_buf[1]
第 3 次：ADC_DR → adc_buf[2]
...

CPU 不需要每次都介入。

4.4 半传输和传输完成

如果传输长度是 1024：

搬到 512 个：半传输 HT
搬到 1024 个：传输完成 TC

这两个事件非常重要。

在 ADC 连续采样里，我们经常用双半区处理：

DMA 正在写前半区时，CPU 处理后半区
DMA 正在写后半区时，CPU 处理前半区

这样可以实现连续采样，不容易丢数据。

---

5. DMA 的几个核心配置怎么理解

5.1 源地址和目标地址

DMA 首先要知道：

从哪里搬
搬到哪里

例如 ADC 到内存：

源地址：&ADCx->DR
目标地址：adc_buf

UART 发送：

源地址：tx_buf
目标地址：&USARTx->DR

UART 接收：

源地址：&USARTx->DR
目标地址：rx_buf

方向不同，源和目标就不同。

5.2 数据宽度

数据宽度决定每次搬多少。

常见有：

8 bit
16 bit
32 bit

例如：

• UART 收发通常是 8 bit
• ADC 结果通常用 16 bit
• 某些 DAC、SPI、内存拷贝可能用 16 bit 或 32 bit

如果宽度配错，轻则数据错位，重则传输异常。

5.3 地址自增

地址自增是 DMA 最容易让初学者困惑的地方。

判断方法很简单：

如果每次都访问同一个寄存器，不自增。** 如果每次要写入或读取数组下一个元素，自增。**

ADC 到数组：

ADC_DR：不自增
adc_buf：自增

UART 发送数组：

tx_buf：自增
USART_DR：不自增

内存到内存：

src_buf：自增
dst_buf：自增

5.4 传输长度

传输长度不是字节数，而是“传输次数”。

如果配置：

数据宽度：16 bit
传输长度：1024

表示搬 1024 个半字，也就是 2048 字节。

如果配置：

数据宽度：8 bit
传输长度：1024

表示搬 1024 个字节。

这个概念很关键，尤其在调 ADC、SPI、I2S、LCD 时。

5.5 普通模式和循环模式

普通模式：

搬完指定长度后停止

适合：

• UART 发送一包数据
• SPI 发送一帧图片数据
• 一次性内存拷贝

循环模式：

搬完指定长度后，从头继续搬

适合：

• ADC 连续采样
• I2S 音频采集
• UART 环形接收
• DAC 循环输出波形

循环模式一定要配合好缓冲区处理，否则 CPU 还没处理完，DMA 又把旧数据覆盖了。

---

6. 一个实际例子：ADC + DMA 连续采样

假设我们要采集 1024 个 ADC 数据。

缓冲区：

uint16_t adc_buf[1024];

启动：

HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t *)adc_buf, 1024);

当 DMA 写完前 512 个数据时，会进入半传输回调：

void HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    ProcessAdcData(&adc_buf[0], 512);
}

当 DMA 写完后 512 个数据时，会进入完成回调：

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    ProcessAdcData(&adc_buf[512], 512);
}

如果 DMA 是循环模式，流程就是：

DMA 写前半区 → CPU 处理前半区
DMA 写后半区 → CPU 处理后半区
DMA 再写前半区 → CPU 再处理前半区
...

这就是很多音频采集、波形采集、电流采样里常见的 ping-pong 思路。

---

7. 一个实际例子：UART + DMA 接收

串口接收如果一个字节进一次中断，数据量大时 CPU 压力会很明显。

DMA 接收可以这样理解：

UART 每收到 1 字节
  ↓
触发 DMA 请求
  ↓
DMA 从 UART 数据寄存器读出
  ↓
写入 rx_buf

常见启动方式：

uint8_t rx_buf[256];

HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, sizeof(rx_buf));

如果接收的是不定长数据，通常会配合空闲中断：

HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, rx_buf, sizeof(rx_buf));

回调：

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)
{
    if (huart->Instance == USART1)
    {
        ParseFrame(rx_buf, Size);
        HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_DMA(&huart1, rx_buf, sizeof(rx_buf));
    }
}

这样 CPU 不需要每个字节都进中断，而是在收到一段数据后统一处理。

---

8. DMA 不是完全不占 CPU

很多人会说“DMA 不占 CPU”，这句话不够严谨。

更准确的说法是：

DMA 不需要 CPU 逐个数据搬运，但 CPU 仍然需要配置 DMA、处理完成事件、处理错误和消费缓冲区数据。

CPU 仍然要做：

• 初始化 DMA
• 启动外设
• 启动 DMA
• 处理半传输中断
• 处理传输完成中断
• 处理错误中断
• 处理缓冲区里的数据

DMA 省掉的是最重复、最机械的搬运动作。

---

9. DMA 会不会和 CPU 抢总线

会。

DMA 和 CPU 都要访问内存和外设寄存器，本质上都要用总线。** 所以 DMA 并不是魔法，它只是把搬运工作从 CPU 指令流里拿出来，交给独立硬件模块执行。**

在高性能 MCU 上，可能会有：

• AHB 总线
• AXI 总线
• 多层总线矩阵
• DMA 控制器
• DMAMUX
• Cache
• TCM / SRAM 多区域

这些都会影响 DMA 行为。

一般入门阶段先记住：

DMA 可以减少 CPU 参与，但大量 DMA 传输仍然会占用总线带宽。

所以在高速采样、屏幕刷新、音频传输、网络收发等场景里，仍然要注意带宽和缓冲区设计。

---

10. DMA 常见错误

10.1 地址自增配置错

ADC 到数组时，如果目标地址没有自增，就会一直写 adc_buf[0]。

UART 发送时，如果源地址没有自增，就会一直发送同一个字节。

10.2 数据宽度配置错

ADC 是 12 bit 结果，通常用 16 bit 存。** 如果 DMA 配成 8 bit，数据就可能被截断或错位。**

10.3 传输长度理解错

传输长度是次数，不一定是字节数。

例如 uint16_t adc_buf[1024]，长度应该填 1024，不是 2048。

10.4 缓冲区被覆盖

循环模式下，如果 CPU 处理太慢，DMA 会重新写到旧位置。

解决办法：

• 增大缓冲区
• 使用半传输/完成双半区处理
• 降低采样率
• 提高处理效率
• 只在回调里置标志，主循环里处理

10.5 Cache 一致性问题

在带 D-Cache 的 MCU 上，比如 STM32H7，DMA 和 CPU 看到的数据可能不一致。

典型现象：

• DMA 明明接收了数据，CPU 读缓冲区还是旧值
• CPU 改了发送缓冲区，DMA 发出去的是旧数据

这是 Cache 一致性问题，需要根据芯片和工程处理：

• DMA 缓冲区放到非 Cache 区域
• 接收后 invalidate cache
• 发送前 clean cache
• 注意缓冲区地址和长度对齐

这部分是进阶内容，但如果你用的是 H7、MPU、带 Cache 的 Cortex-M7，一定要留意。

---

11. 怎么判断一个场景该不该用 DMA

适合用 DMA 的场景：

• 数据量大
• 传输频繁
• 数据格式规则
• CPU 不想被频繁中断打断
• 外设支持 DMA 请求
• 可以用缓冲区批量处理

典型场景：

场景	是否适合 DMA
ADC 连续采样	很适合
UART 大量接收	很适合
UART 发送大包	适合
SPI 刷屏	很适合
I2S 音频	很适合
DAC 输出波形	很适合
偶尔发 1 个字节	没必要
很复杂的非规则协议解析	DMA 只负责接收，解析仍由 CPU 做

简单判断：

如果 CPU 在重复搬数据，考虑 DMA。** 如果 CPU 在做判断、计算、协议解析，DMA 不能替你完成这些逻辑。**

---

12. 总结

DMA 可以从三个层次理解。

第一层：

DMA 是硬件搬运工。

第二层：

CPU 配置搬运规则，DMA 根据外设请求在外设和内存之间搬数据。

第三层：

DMA 减少 CPU 的重复搬运和高频中断压力，但仍然会占用总线，也需要正确的缓冲区、中断和 Cache 处理。

如果你第一次学 DMA，不要一上来陷入寄存器细节。** 先把这几个问题想清楚：**

• 数据从哪里来？
• 数据要到哪里去？
• 每次搬多宽？
• 搬多少次？
• 哪边地址要自增？
• 是普通模式还是循环模式？
• 搬到一半和搬完后 CPU 要做什么？

能回答这几个问题，DMA 就已经理解了一大半。

最后用一句话收尾：

DMA 的本质不是让 CPU 消失，而是让 CPU 从“搬数据”升级为“安排数据怎么搬”。

如果你在调 STM32、RS485、Modbus、RTT、波形采集或者数据可视化，上位机工具 ****多多盒子助手**。 **它把串口、J-Link RTT、Modbus、实时图表、CRC 校验、日志保存和固件升级这些常用能力放在了一起，适合做日常嵌入式调试。

项目地址：

https://gitee.com/momingchuan/duo-duo-box