代码收藏家技术教程 2023-07-29

深入解析STM32中DMA发送与接收数据机制

STM32 —— DMA 发送与接收数据详解

简介

DMA(Direct Memory Access) ：直接存储器存取，是单片机的一个外设，它的主要功能是用来搬数据，但是不需要占用 CPU ，即在传输数据的时候，CPU 可以干其他的事情，好像是多线程一样。数据传输支持从外设到存储器或者存储器到存储器，这里的存储器可以是 SRAM 或者是 FLASH

DMA传输将数据从一个地址空间复制到另一个地址空间，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

功能详解

功能框图

DMA 控制器基于复杂的总线矩阵架构，将功能强大的双 AHB 主总线架构与独立的 FIFO 结合在一起，优化了系统带宽

功能描述

DMA 控制器和 Cortex™-M3 核心共享系统数据总线，执行直接存储器数据传输。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

DMA 处理

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

总之，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

· 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

· 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

简单来说就是先通过 DMA_SxPAR 或 DMA_SxM0AR 寄存器两次寻址，从外设数据寄存器或存储器单元中加载数据，并讲加载的数据存储进去，最后 DMA_SxNDTR 计数器在数据存储结束后递减，该计数器中包含仍需执行的事务数

DMA 通道

DMA 有 DMA1 和 DMA2 两个控制器， DMA1 有 7 个通道， DMA2 有 5 个通道，不同的 DMA 控制器的通道对应着不同的外设请求，虽然每个通道可以接收多个外设的请求，但是同一时间只能接收一个，不能同时接收多个

这决定了我们在软件编程上该怎么设置，具体见 DMA 请求映像表：

各个通道的DMA1请求一览：

外设	通道1	通道2	通道3	通道4	通道5	通道6	通道7
ADC1	ADC1
SPI/I²S		SPI1_RX	SPI1_TX	SPI/I2S2_RX	SPI/I2S2_TX
USART		USART3_TX	USART3_RX	USART1_TX	USART1_RX	USART2_RX	USART2_TX
I²C				I2C2_TX	I2C2_RX	I2C1_TX	I2C1_RX
TIM1		TIM1_CH1	TIM1_CH2	TIM1_TX4 TIM1_TRIG TIM1_COM	TIM1_UP	TIM1_CH3
TIM2	TIM2_CH3	TIM2_UP			TIM2_CH1		TIM2_CH2 TIM2_CH4
TIM3		TIM3_CH3	TIM3_CH4 TIM3_UP			TIM3_CH1 TIM3_TRIG
TIM4	TIM4_CH1			TIM4_CH2	TIM4_CH3		TIM4_UP

各个通道的DMA2请求一览：

外设	通道1	通道2	通道3	通道4	通道5
ADC3⁽²⁾;					ADC3
SPI/I2S3	SPI/I2S3_RX	SPI/I2S3_TX
UART4			UART4_RX		UART4_TX
SDIO⁽¹⁾				SDIO
TIM5	TIM5_CH4 TIM5_TRIG	TIM5_CH3 TIM5_UP		TIM5_CH2	TIM5_CH1
TIM6/DAC通道1			TIM6_UP/DAC通道1
TIM7/DAC通道2				TIM7_UP/DAC通道2
TIM8⁽¹⁾	TIM8_CH3 TIM8_UP	TIM8_CH4 TIM8_TRIG TIM8_COM	TIM8_CH2		TIM8_CH2

1． ADC3、 SDIO和TIM8的DMA请求只在大容量的产品中存在。

*注意： *ADC2 没有 DMA 功能，其中 ADC3、 SDIO 和 TIM8 的 DMA 请求只在大容量产品中存在，这个在具体项目时要注意

可编程的数据量

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

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

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

可编程的数据传输宽度和大小端操作(当PINC = MINC = 1)：

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

下面是配置DMA通道x的过程(x代表通道号)：

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

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

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。当设置了 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

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

当发生多个 DMA 通道请求时，就意味着有先后响应处理的顺序问题，这个就由仲裁器管理

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
2. 硬件：如果 2 个或以上请求有相同的软件优先级(即 DMA 通道请求设置的优先级一样)，则他们优先级取决于通道编号，较低编号的通道比较高编号的通道有较高的优先权。举个例子，通道2优先于通道4

注意：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

DMA 请求映像

DMA1

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 DMA 控制位，被独立地开启或关闭

具体细节看下面的 DMA1 请求影响图解：

DMA2

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

注意：DMA2控制器及相关请求仅存在于大容量产品和互联型产品

具体细节看下面的 DMA2 请求影响图解：

DMA 寄存器

寄存器地址映像如下：

注意：在以下列举的所有寄存器中，所有与通道 6 和通道 7 相关的位，对 DMA2 都不适用，因为 DMA2 只有 5 个通道

中断状态寄存器 DMA_ISR

中断标志清除寄存器 DMA_IFCR

通道 x 配置寄存器 DMA_CCRx (x = 1…7)

通道 x 传输数量寄存器 DMA_CNDTRx (x = 1…7)

通道 x 外设地址寄存器 DMA_CPARx (x = 1…7)

通道 x 存储器地址寄存器 DMA_CMARx (x = 1…7)

数据配置

使用 DMA，最核心就是配置要传输的数据，包括数据从哪里来，要到哪里去，传输的数据的单位是什么，要传多少数据，是一次传输还是循环传输等等

从哪里来到哪里去

我们知道 DMA 传输数据的方向有三个：从外设到存储器，从存储器到外设，从存储器到存储器。具体的方向 DMA_CCR 位 4 DIR 配置： 0 表示从外设到存储器， 1 表示从存储器到外设。这里面涉及到的外设地址由 DMA_CPAR 配置，存储器地址由 DMA_CMAR 配置

外设到寄存器

当我们使用从外设到存储器传输时，以 ADC 采集为例

DMA 外设寄存器的地址对应的就是 ADC 数据寄存器的地址， DMA 存储器的地址就是我们自定义的变量(用来接收存储 AD 采集的数据)的地址。方向我们设置外设为源地址

存储器到外设

当我们使用从存储器到外设传输时，以串口向电脑端发送数据为例

DMA 外设寄存器的地址对应的就是串口数据寄存器的地址， DMA 存储器的地址就是我们自定义的变量(相当于一个缓冲区，用来存储通过串口发送到电脑的数据)的地址。方向我们设置外设为目标地址

存储器到存储器

当我们使用从存储器到存储器传输时，以内部 FLASH 向内部 SRAM 复制数据为例

DMA 外设寄存器的地址对应的就是内部 FLASH(我们这里把内部 FALSH 当作一个外设来看)的地址， DMA 存储器的地址就是我们自定义的变量(相当于一个缓冲区，用来存储来自内部 FLASH 的数据)的地址。方向我们设置外设(即内部 FLASH)为源地址

跟上面两个不一样的是，这里需要把 DMA_CCR 位 14： MEM2MEM：存储器到存储器模式配置为 1，启动 M2M 模式

要传多少，单位是什么

当我们配置好数据要从哪里来到哪里去之后，我们还需要知道我们要传输的数据是多少，数据的单位是什么

以串口向电脑发送数据为例，我们可以一次性给电脑发送很多数据，具体多少由 DMA_CNDTR 配置，这是一个 32 位的寄存器，前16位为数据传输数量，一次最多只能传输 65535 个数据

要想数据传输正确，源和目标地址存储的数据宽度还必须一致，串口数据寄存器是 8 位的，所以我们定义的要发送的数据也必须是 8 位。外设的数据宽度由 DMA_CCR 的 PSIZE[1:0] 配置，可以是 8/16/32 位，存储器的数据宽度由 DMA_CCR 的 MSIZE[1:0] 配置，可以是 8/16/32 位

在 DMA 控制器的控制下，数据要想有条不紊的从一个地方搬到另外一个地方，还必须正确设置两边数据指针的增量模式。外设的地址指针由 DMA_CCRx 的 PINC 配置，存储器的地址指针由 MINC 配置。以串口向电脑发送数据为例，要发送的数据很多，每发送完一个，那么存储器的地址指针就应该加 1，而串口数据寄存器只有一个，那么外设的地址指针就固定不变。具体的数据指针的增量模式由实际情况决定