代码收藏家技术教程 2023-02-13

STM32实战：HAL库中的DMA

什么是DMA？

“DMA”是Direct Memory Access的缩写。不使用CPU，而是通过总线直接进行外围功能(模拟功能、通信功能等)和存储器间(闪存、ROM、RAM)的数据传输的功能。

通常，数据传输由CPU执行，而在装有DMA的微型计算机中，DMA代表CPU传输数据。

因此，CPU只需要算术/逻辑运算等CPU才能完成的工作就可以了。其结果是，通过安装DMA，可以综合提高微型计算机的性能。

DMA的最大优势是通过硬件直接传输数据，从而实现高速、大容量的数据传输。您可以在内存和外围功能中自由选择传输源和传输目的地(但受微型计算机的限制)。

但是，由于只有一条总线和CPU分开使用，所以需要调整总线的使用权。这种“总线调整”在英语中被称为“总线仲裁(Bus Arbitration)”。

DMA的基本操作

这是从RAM中提取数据并将其发送到通信功能的情况。通常，当CPU进行数据传输时(图(a))，首先从RAM中读取数据。读取的数据一旦通过CPU中的ALU。然后，ALU直接输出数据，而不对数据进行任何处理，并将数据发送到通信功能。DMA在不通过CPU的情况下从RAM读取数据并将其传输到通信功能。
此时，CPU不会被使用，所以您可以使用ALU进行另一个计算。作为微型计算机，可以并行处理两项工作，非常高效。

首先，CPU在DMA中设置数据数量、源/目的地地址、传输模式等。然后，当DMA传输开始触发时，DMA开始传输。DMA传输启动的触发器可以通过软件或硬件触发。DMA传输结束后，DMA向CPU发出中断，通知传输结束。

仲裁类型(与CPU共享总线权限)
DMA很方便但不是万能的。只有一条总线，所以当DMA使用总线时，CPU就不能使用总线了。如果DMA长时间使用总线来进行大量数据传输，CPU会在此期间一直无法使用总线，从而导致无法将计算结果存储在内存中的问题。因此，需要在CPU和DMA之间高效地使用总线进行调整。这叫做总线仲裁。
还有，使用总线的权利叫做总线权利。总线仲裁是协调(调解)谁拥有总线的权利。

总线仲裁的方式有几种。典型的是Round-Robin，Cycle stealing，burst。

Round-Robin是按顺序让出总线权的方式。例如，如果总线主机是两个，如果CPU使用总线，下一个总线循环使用DMA，然后使用总线交替使用CPU使用。

被称为Cycle stealing的方式是在CPU没有访问内存的总线周期之间涂上，DMA使用总线的方式。

burst方式是指在一定时间内，一个bus Master占有总线权的方式。当你想快速传输优先级高的数据时使用。例如，当DMA发送10个高优先级数据时，DMA会占用总线，直到传输完所有这10个数据为止。

使用上的注意事项
举两个使用DMA时出现的问题的例子。一个是超限运行，另一个是与高速缓存一起使用时发生的主内存数据的丢失。

由于通信功能等原因，CPU或DMA在CPU或DMA未读取接收缓冲器中的数据时，会捕获下一个数据，导致前一个接收数据丢失。如果总线仲裁是Round-Robin方式，则很难发生超限运行，但如果是Cycle stealing或burst方式，CPU或DMA就不能使用总线，等待总线权的时间就会变得更长。在此期间，通信功能在接收到以下数据时会出现超限运行。在其他情况下也会发生超限。

在使用高速缓存的系统中，当DMA重写具有与高速缓存所具有的数据相同地址的主存储器时，高速缓存和主存储器的数据的一致性将丢失。

例如，当CPU将数据写入内存时，如果采用直通方式，则将数据写入高速缓存，同时也将相同的数据写入主内存。如果DMA错误地重写了主内存上的数据，则缓存数据和主内存数据将不同。之后，当CPU读取该数据时，缓存中的数据将被读取，并读取与主内存值不同的值。如果你有一个机制来保持缓存和DMA之间的一致性，但如果没有机制，用户必须管理数据的一致性。

STM32的DMA

关于STM32的DMA参考：STM32—DMA存储器到外设_Aspirant-GQ的博客-CSDN博客

以下为引用内容：：

DMA(Direct Memory Access)——直接存储器存取，就像其名称一样，DMA的主要作用是搬数据，DMA可以把数据从存储器搬到外设、从外设搬到存储器、从存储器搬到存储器。DMA的特殊之处就是搬运数据不需要占用CPU，DMA控制器包含了DMA1和DMA2，其中DMA1由7个通道，DMA2有5个通道。

DMA框图

理解其工作框图：

功能框图主要分为三部分：

1.DMA请求
外设如果想要通过DMA传输数据，必先给DMA控制器发送DMA请求，DMA收到请求信号之后会传回给外设一个应答信号，当外设应答后且DMA控制器收到应答信号后，就会启动DMA的传输，直至传输完毕。但DMA有2个DMA控制器，15条通道，不同的通道对应着不同的外设请求，所以必须对通道和外设请求进行一一对口，各个通道对应的外设如下：

2.通道
要注意的是DMA共有12个独立可编程的通道，DMA1有7个、DMA2有5个，每个通道对应着不同的外设的请求，但同一时间只能接收一个。

3.仲裁器
当多个通道同时请求时，就要处理先后响应的问题，就像中断里的优先级分组一样。仲裁器管理DMA通道请求时主要依据俩点：
第一判断：在DMA_CCRx 寄存器中设置有 4 个等级：非常高、高、中和低，先根据此优先级判断响应的先后，如果优先级都一样，进行第二判断。
第二判断：比较通道的编号，编号越低优先权越高。

DMA传输数据分析

使用DMA，核心技术就是配置数据的传输，主要分为三点：
1.传输的方向
2.传输的数量
3.传输的模式

1.传输的方向
DMA有三种数据传输方向：
一：存储器——>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。
二：外设——>存储器
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。
三：存储器——>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。

2.传输的数量
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，一次最多只能传输 65535 个数据。而且源和目标的数据宽度必须一致，数据宽度可以设置为8/16/32位。
除此之外，还要设置源和目标俩边数据指针的增量模式，即传输完一个数据后数据指针的移动模式，是加一？还是不变？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。

3.传输的模式
数据传输的情况可以通过查询标志位或者通过中断来鉴别，每个DMA通道在DMA传输过半、传输完成、传输错误时都会有相应的标志位，如果使能相关的中断后还会产生中断。一次数据传输完成后还分俩种模式：是一次传输还是循环传输。
一次传输：传输一次后就停止，要想再传的话，必须关闭DMA使能后重新配置后方能继续传输。
循环传输：一次传输完成后又恢复第一次传输时的配置循环传输，不断重复。

注：以下基于ADC和DAC来讲DMA。

完成功能：

1、通过DMA来测量电压数据；

2、通过DMA来输出正弦波形；

之前用的是普通的查询模式，可参考：

STM32实战总结：HAL之ADC_路溪非溪的博客-CSDN博客

STM32实战总结：HAL之DAC_路溪非溪的博客-CSDN博客

配置MX

先配置ADC的DMA。

手册中的简介：

ADC实现的是DMA的“从外设到存储器”

过程是这样的，输入的模拟量经过转换，存储在ADC_DR寄存器中，转换结束时产生DMA请求，DMA经过响应等过程后，将数据运输到储存器中（在程序中体现为一个变量地址）

开始配置：

ADC开启连续转换。

之前是单次转换模式，每次转换时都要重新打开ADC来采集，从而不断采集数据。设置成连续模式，则每次转换后不会关闭ADC，也就不用再次开启，而是接着转换。

DMA Settings中配置对应的DMA。

这里有几个地方需要注意。

1、DMA选择循环Circular模式。什么意思呢？这里的循环模式指的是，在一次运输过后，DMA不会被关闭，而是接着运输。

2、地址增长处，外设处是固定的寄存器，内存中就始终有一个变量去接收数据即可，都不必使能自动地址增长。

3、ADC是12位的，存放数据的寄存器是16位的，所以单次传送的数据宽度选择半字即可。

4、上面的优先级有Low/Medium/High/Very High，根据重要程度去选择即可。

开始配置DAC的DMA。

先看手册中的介绍。

根据上方红框中的说明可知，DAC的DMA必须要由外部触发，而不是软件触发。

另外，这里是从存储器到外设的DMA传输。

使能外部触发：

这几个DMA的通道选择是自动的。

为什么是自动的？上面我们讲过，DMA的通道是固定对应着某些外设的。如下表：

继续配置DMA选项：

因为输出一个正弦波，我们需要传输一个数组，所以，每次传输结束后内存地址都要自动+1

另外，既然要外部触发条件，那么，我们这里选择定时器7来触发（定时器6之前已经被用过了）。

配置定时器7：

先查看定时器7的框图：

TRGO配置成一个更新事件：

在定时器计时到了，产生更新事件时，就会触发DAC。

最后，再配置一下中断：

上述配置完成后，则默认会将DMA的中断进行强制打开（灰色代表是系统自行选择的），这里的两个中断的意思是，每次DMA传输完成后，就会产生一个中断通知CPU。因为DMA传输很快，又开了循环模式，所以如果开中断，将会不断地去通知CPU，导致无效地占用CPU。所以，从性能角度来考虑，将这两个中断取消。

先将上方强制选择的选项取消勾选，然后再取消勾选这两个。

注意：TIM7的时钟可以去掉。因为其是触发事件，没用到中断。

至此，完成了ADC和DAC的DMA配置。

在DMA菜单中，能看到配置的两个DMA信息

相对来说，还是比较麻烦的。

确认无误后，生成代码。

DMA相关库函数

ADC相关库函数

/* Non-blocking mode: DMA */
HAL_StatusTypeDef       HAL_ADC_Start_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t* pData, uint32_t Length);
HAL_StatusTypeDef       HAL_ADC_Stop_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc);

DAC相关库函数

HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_Start_DMA(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel, uint32_t *pData, uint32_t Length, uint32_t Alignment);
HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_Stop_DMA(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel);

这里面的*pData就是变量的指针，也就是DMA传输方向中的存储器。

程序编写

代码生成后，除了ADC和DAC相关文件，还多了dma.c和dma.h文件。

使用DMA函数来开启ADC。这里主要是要定义一个变量（内存），然后将数据放到变量中。

直接在之前的useracd.c里面修改。
static void GetVol(void)
{
    uint32_t adcResultNum = 0;
    
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, &adcResultNum, 1);
    
    HAL_Delay(1000);
    printf("value is %f\n\r", 3.3/4096*adcResultNum);
}
至于DAC：

定时器7启动；

DAC启动，传入要传输的变量的地址；

硬件自动完成，定时器7每100us会产生一个更新事件，同时会触发DMA，所以DAC每100us会输出一个数。具体可用示波器查看。此处代码略过。