stm32的dma工作原理（自學STM32-08）

2023-09-16 12:05:21

作者：junziyang

（註：如非特別聲明，以下筆記內容均針對stm32f103ZET6而言。不同型號，細節可能存在差別）

DMA是Direct memory access的簡稱，意為直接存儲器訪問，是一種提高數據傳輸速度，並在數據傳輸過程中為CPU減負的技術。常規的數據傳輸過程中，CPU要先將數據從存儲器或外設的數據寄存器讀取到緩存，然後再寫入到目的地（存儲器或外設數據寄存器）。DMA傳輸數據時則無需經CPU處理，而是直接將數據從一個地址複製到另一個地址，因此數據傳輸過程中極大地減少了對CPU資源的佔用。

stm32內置有兩個DMA控制器，原理框圖如圖1所示。

圖1. DMA原理框圖

從圖中可以看出，DMA1有7個通道，DMA2有5個通道，共有12個通道。DMA充當的是外設和存儲器（內部SRAM，SD卡，FSMC接口的外部存儲器）之間的橋梁，由外設發起DMA請求，實現數據在DMA控制下在外設和存儲器，以及存儲器和存儲器之間傳輸。每個DMA通道都可以獨立響應一到多個外設訪問請求，由DMA內部的仲裁器（Arbiter）來管理DMA請求的優先級。DMA的主要特徵包括：

任何外設的功能配置都是通過設置相關寄存器實現的。為了便於後續學習，將DMA相關的寄存器先列於此。DMA相關寄存器地址映射與復位值如圖2所示。

圖2. DMA相關寄存器地址映射與復位值表

前兩個寄存器是DMA各個通道共用的寄存器，DMA_ISR（Interrupt Status Register）管理各個通道的中斷狀態標誌，每個通道都有4個中斷。DMA_IFCR（Interrupt Flag Clear Register）用來復位DMA_ISR的對應位。

後面的4個寄存器是各個通道專用的寄存器，也就是說每個通道都有4個這樣的寄存器。DMA_CMAx後，地址偏移4個字節，然後排入下一個通道的4個寄存器，依次類推。

DMA控制器是通過與內核共享總線來實現直接存儲器訪問的。總線矩陣通過輪詢調度來管理CPU和DMA對總線的訪問，一般會保證CPU對總線有至少一半的佔用帶寬。儘管如此，當出現CPU和DMA同時要訪問同一個目標（存儲器或外設）時，仍存在CPU對總線的訪問被DMA請求妨礙幾個總線時鐘周期的可能。因此，程序中執行完DMA相關的指令後（例如HAL_ADC_START_DMA），一般要適當延遲，然後再去讀取DMA傳輸過去的數據，否則可能會出現數據讀取錯誤的現象。

DMA的最大優點是可以獨立於CPU去實現數據的傳輸，最好將DMA傳輸數據的過程和CPU對數據的處理過程分開。例如，ADC掃描模式下必須使用DMA，此時可將數據採集和數據處理分開，在一個循環中進行AD轉換，DMA將數據存入數組；在另一個循環中再去訪問數組中的數據並進行處理。而不是在一個循環中，觸發ADC一次，立即去讀數組中的數據，這樣容易導致程序「跑飛」。

觸發DMA的某個事件發生後，先由外設向DMA控制器發送請求信號。DMA控制器會按信道的優先級響應收到的請求。當DMA控制器訪問外設時，會向外設發出應答信號。外設收到應答信號後立刻釋放請求，進而DMA控制器立刻釋放應答，並開始傳輸數據。如果有更多的請求，外設可以啟動下一次傳輸。簡而言之，一次DMA傳輸包括一下三個操作步驟：

仲裁器Arbiter根據通道DMA請求的優先級設置，來依次啟動對外設/存儲器的訪問。優先權的管理分兩個階段：

上述是同一個DMA內部通道的優先級管理，由各自的仲裁器負責。另外，在有兩個DMA的MCU中，在經Bus Matrix爭取總線使用權的過程中，DMA1控制器的優先級高於DMA2的。

用DMA來傳輸數據時，需要約定通道兩端的地址、傳輸數據的寬度（字節/半字/全字）、待傳輸數據個數、數據傳輸模式、緩存使用方式等。

1. 通道設置步驟

通道配置的步驟如下：（x是通道編號）

DMA通道激活後即可響應來自外設的DMA請求了。

2. 循環模式

設置DMA_CCRx寄存器中的CIRC位為1可以開啟循環模式。循環模式主要用來處理連續的數據流，例如ADC掃描模式中的連續數據採集。該模式下DMA_CNDTRx寄存器中的值遞減到0後，會重新裝載回初值，緩存也會被循環利用。

3. 存儲器-存儲器模式

除了實現外設-存儲器間的數據傳輸，DMA模式也可以用來在兩個存儲器間傳輸數據。通過設置DMA_CRx寄存器中的MEM2MEM位即可開啟存儲器-存儲器模式。無論是外設-存儲器模式，還是存儲器-存儲器模式，本質上來說DMA都只是將數據從一個地址搬運到另一個地址。區別之處在於：外設地址通常是固定的，而存儲器地址可以人為設置且可遞增；外設可以發出DMA請求，而存儲器間的數據傳輸需要通過軟體設置DMA_CCRx寄存器的EN位來觸發DMA。通信雙方的首地址仍然是在CPARx和CMARx兩個寄存器中設置，傳輸方向也是由CCRx寄存器中的DIR位設定。

存儲器間的數據傳輸不要同時開啟循環模式。DMA_CNDTRx寄存器遞減到0，傳輸自動停止。

DMA支持按字節、半字或全字傳輸數據。如果雙方的數據寬度相同，DMA只需將數據依次傳輸過去即可。但如果源和目標端的數據寬度不同，即PSIZE和MSIZE不相等，就涉及到傳輸過程中的數據對齊問題。

如果目標端數據寬度比源端大，則目標端接收數據後按右對齊存儲，閒置高位補0。例如，源為8位，目標為32位，傳輸4個數據，傳輸過程和結果如下：

如果目標端數據寬度比源端小，則源端高位被截掉，僅傳輸目標端能容納的低位。例如，源為32位，目標為16位，傳輸4個數據，傳輸過程和結果如下：

可見，無論哪種情況，DMA都是按源端的數據寬度讀取數據，然後按目標端的數據寬度按右對齊寫入數據的。目標端按自己的數據寬度和傳輸數據個數分配內存，傳輸過來的數據「多去少補，對號入座」。如果條件允許，儘量雙方一致，尤其要避免「大筐倒小筐」。

注意：

對於不支持字節和半字寫入的AHB外設，傳入的字節或半字會從低位到高位重複填滿總線數據寄存器HWDATA。例如0xAB在會被重複成0xABABABAB。這種情況下，如果從內存向寄存器寫入數據，內存端MSIZE應該按存儲器數據寬度設置，而外設端PSIZE則設為32bit。例如向APB備份寄存器（16位有效，但佔32位地址）寫入，MSIZE配置位16位，PSIZE配置位32位。

在DMA讀/寫預設地址的過程中，如果出現錯誤，硬體會自動關閉出錯的通道，清除DMA_CCRx中的EN位，設置DMA_IFR中的TEIF（Transfer Error Interrupt Flag）中斷標誌位。如果開啟了CCRx中的TEIE位，則會產生中斷。

DMA傳輸過程中會設置3個中斷標誌位：傳輸過半（HTIF）、傳輸完成（TCIF）、傳輸出錯（TEIF）。如果設置了中斷使能位（TCIE/HTIE/TEIE），則會產生對應的中斷。

來自外設的DMA請求共有7類：TIMx[1,2,3,4], ADC1, SPI1, SPI/I2S2, I2Cx[1,2] 以及

USARTx[1,2,3]。這些請求被固定的映射到了DMA1的7個通道和DMA2的5個通道。DMA1的映射關係如圖3所示。DMA2的映射關係如圖4所示。

圖3. DMA1的通道映射

圖4. DMA2的通道映射

總結：

DMA的寄存器非常簡單，如圖2所示。有2個公用寄存器：DMA_ISR和DMA_IFCR。每個通道還有4個專用寄存器：DMA_CCRx/CNDTRx/CPARx/CMARx。

DMA_ISR（Interrupt Status Register）用來管理DMA的中斷狀態。由硬體設置，軟體清除（設置IFCR寄存器的對應位）。每個通道的4個中斷佔連續的4個位。從低到高依次為GIFx（全局中斷標誌）、TCIFx（傳輸完成中斷標誌）、HTIFx（傳輸過半中斷標誌）、TEIFx（傳輸錯誤中斷標誌）。每個通道實際只有3個中斷，其中GIFx是其餘3個標誌位相「與」的結果，三者中任何一種中斷事件發生，該位都會被置1。

DMA_IFCR（Interrupt Flag Clear Register）用來清除ISR寄存器中的對應位，清除中斷狀態。ISR是只讀的，中斷發生時由硬體設置，要清除中斷標誌位，需要向DMA_IFCR寄存器的對應位寫入1（寫0無影響）。另外，向CGIFx寫入1可以清除通道x所有的中斷標誌位。

DMA_CCR（Channel x Configuration Register）用來配置通道x。各功能位作用如下：

DMA_CNDTRx（Channel x Number of Data Register）用來存儲待傳輸數據個數。每次傳輸數值遞減1。非循環模式下，遞減到0時DMA請求結束；循環模式下，遞減凋0後會自動加載初值，繼續DMA傳輸。

DMA_CPARx（Channel x Peripheral Address Register）用來設置外設基地址。當PSIZE=01，即數據寬度為16位時，地址中的PA[0]位被忽略，數據自動對齊到半字地址；當PSIZE=10，即數據寬度為32位時，地址中的PA[1:0]位被忽略，數據自動對齊到字地址。

說明：

半字為16bits，即2個字節。字節是最小的存儲單位，即每個地址存1個字節。地址0b000x-0b001x，間隔2個字節，恰為1個半字的空間。同理，0b01xx-0b02xx，間隔4個字節，即一個全字的空間，所以32位時忽略地址的末2位。

DMA_CMARx（Channel x Memory Address Register）用來設置存儲器（數組）基地址。DMA_CPARx和CMARx實際上就是兩個地址存儲器，用來存儲源和目標的地址。MEM2MEM時存儲的都是存儲器中的地址。

HAL庫stm32f103xe.h中對DMA的通道地址進行了映射，可以通過通道宏名稱，訪問通道的CCR/CNDTR/CPAR/CMAR寄存器。DMA相關的庫函數在stm32f1xx_hal_dma.h中聲明，在stm32f1xx_hal_dma.c中定義。分類概述如下：

1. 初始化與復位函數

DMA初始化函數。設置CCR寄存器中的PL/MSIZE/PSIZE/MINC/PINC/CIRC/DIR，共7個功能位。

DMA復位函數。關閉DMA，然後清除CCR&CNDTR&CPAR&CMAR，清除hdma句柄中的中斷函數，復位State狀態機和ErrorCode。

2. 啟動與停止函數

啟動DMA。函數中完成的工作包括：中斷標誌位清除、設置CNDTR、CPAR、CMAR。設置這些參數前必須先將CCRx的EN位置0（__HAL_DMA_DISABLE(hdma)），然後調用DMA_SetConfig函數進行設置，設置完成後重新開啟（__HAL_DMA_ENABLE(hdma)）。

以中斷模式啟動DMA。除完成HAL_DMA_Start的工作外，還開啟了3個中斷使能位。

終止DMA傳輸。函數中完成的工作包括：關閉中斷、關閉DMA通道、中斷標誌位清除（向IFCR中的CGIFx寫入1）。

終止DMA傳輸並觸發相應的中斷。

3. 狀態查詢函數

檢查傳輸狀態。通過輪詢等待返回傳輸狀態（傳輸過半/傳輸完成）標誌。

查詢DMA狀態。返回DMA狀態機的值，即hdma->State。

查詢DMA錯誤。返回DMA錯誤代碼，即hdma->ErrorCode。

4. 中斷處理函數

中斷請求處理函數。根據hdma的中斷設置，調用相應的回調函數（傳輸完成/過半/出錯/終止）。回調函數需要用戶自己編寫，一般是在外設的HAL_PPP_Stat_DMA函數中被關聯到hdma的句柄。例如，HAL_ADC_Start_DMA中會把HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback/HAL_ADC_ConvCpltCallback/HAL_ADC_ErrorCallback函數關聯到DMA的句柄hdma。回調函數是weak函數，需要用戶自己實現。

5. 宏庫函數