DMA

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DMA 基础概念与工作原理

1. DMA 是什么？

DMA（Direct Memory Access，直接内存存取）是一种硬件机制，允许外设（如 UART、SPI、ADC、TIM 等）与内存（SRAM、Flash）之间直接进行数据传输，而无需 CPU 的干预。

• 核心目的：将数据传输任务从 CPU 上解放出来，让 CPU 可以专注于执行应用程序代码，大幅提高系统的效率和实时性。

2. 工作流程

1. CPU 配置：CPU 负责初始化 DMA 控制器，设置数据源地址、目标地址、数据传输量和传输方向。

2. DMA 请求：当外设准备好数据（例如 UART 接收到一个字节）或需要发送数据时，它会向 DMA 控制器发出请求（Trigger Event Selection）。

3. 总线仲裁：DMA 控制器向 Cortex-M 内核申请总线控制权。

4. 数据传输：DMA 控制器直接控制总线，完成数据传输。

5. 传输完成：当设定的数据量传输完毕后，DMA 控制器会向 NVIC 发送中断信号（可选），通知 CPU 任务完成。

3. 框图

STM32 DMA 核心特性与 HAL 库抽象

0. 基本结构

1. DMA 通道和流 (Channel & Stream)

• STM32 芯片通常有多个 DMA 控制器（DMA1 和 DMA2）。

• 每个控制器包含多个流 (Stream)（通常 4 到 8 个），每个流可以独立配置。

• 每个流可以通过通道 (Channel) 映射到特定的外设请求。

2. 传输方向与模式

3. 数据宽度 (Data Width)

HAL 库允许配置数据传输的宽度，通常与外设的数据位宽保持一致：

• Byte (8-bit): 适用于 UART、SPI。

• Half Word (16-bit): 适用于 12 位 ADC 结果。

• Word (32-bit): 适用于内存到内存传输、ADC 双模式结果。

STM32CubeMX DMA 配置流程

配置示例1：UART 接收（Peripheral to Memory, Normal Mode）

这是最基础的 DMA 应用，用于在接收固定长度数据时解放 CPU。

CubeMX 步骤

1. 启用外设：在 Pinout & Configuration 中配置 USART1（异步模式，设置波特率等）。

2. DMA 请求添加：

   • 在 USART1 的配置页面中，切换到 DMA Settings 选项卡。

   • 点击 Add $\rightarrow$ 弹出窗口中选择 USART1_RX。

   • Direction：Peripheral to Memory。

3. DMA 配置细节：

   • Mode：Normal。

   • Priority：Low (默认)。

   • Data Width (Memory)：Byte (8 bit)。

   • Data Width (Peripheral)：Byte (8 bit)。

   • Increment Address (Memory)：Enable (接收数据要写入数组的不同地址)。

   • Increment Address (Peripheral)：Disable (USART 的数据寄存器地址固定)。

4. NVIC：通常不启用 DMA 中断，而是使用外设（如 UART 空闲中断）或 HAL 库提供的回调机制。

HAL 库代码实现

#define RX_BUFFER_SIZE 100
uint8_t rx_data_buffer[RX_BUFFER_SIZE];

// 在 main() 函数中启动 DMA 接收
// 启动 DMA 接收：接收来自 &huart1 的数据，存入 rx_data_buffer，长度为 RX_BUFFER_SIZE
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_data_buffer, RX_BUFFER_SIZE); 

// **接收完成回调函数（HAL 库抽象）**
// 当 100 字节数据全部接收完毕后，会触发此回调
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart->Instance == USART1) {
        // 100 字节数据已完整接收，在此处理数据
        // 注意：DMA 已停止，需要再次启动以接收下一批数据
        HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_data_buffer, RX_BUFFER_SIZE); 
    }
}

配置示例2：ADC 连续采样 (Peripheral to Memory, Circular Mode)

用于连续、不间断地采集传感器数据，并将结果存入内存缓冲区。

CubeMX 步骤

1. ADC 配置：配置 ADC（通道、采样时间等）。

2. DMA 请求添加：

   • 在 ADC1 的配置页面中，切换到 DMA Settings 选项卡。

   • 点击 Add $\rightarrow$ 选择 ADC1。

3. DMA 配置细节：

   • Mode：Circular (循环模式)。

   • Data Width (Memory)：Half Word (16 bit，因为 ADC 是 12 位输出)。

   • Data Width (Peripheral)：Half Word (16 bit)。

   • Increment Address (Memory)：Enable。

   • Increment Address (Peripheral)：Disable。

4. NVIC：可以启用 DMA 中断（如 DMA1 stream 0 global interrupt），用于在半传输和全传输完成时触发回调。

HAL 库代码实现

#define ADC_BUF_SIZE 50
uint16_t adc_values[ADC_BUF_SIZE];

// 启动 DMA 连续采样
// 将 ADC 结果连续存入 adc_values 数组，长度为 ADC_BUF_SIZE
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_values, ADC_BUF_SIZE); 

// **全传输完成回调（Full Transfer Complete Callback）**
// 当数组填满时（50个数据）
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    if (hadc->Instance == ADC1) {
        // 在循环模式下，DMA 自动重装载并继续，从头覆盖写入，无需再次启动
        // 处理 adc_values 数组中后半部分数据（如果使用了双缓冲或仅处理所有数据）
    }
}

// **半传输完成回调（Half Transfer Complete Callback）**
// 当数组填充到一半时（25个数据）
void HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    if (hadc->Instance == ADC1) {
        // DMA 仍在传输，处理 adc_values 数组中的前半部分数据（实现双缓冲）
    }
}

配置示例3：内存到内存 (Memory to Memory)

用于在不需要外设请求的情况下，快速在内存区域之间复制数据。即软件触发。

CubeMX 步骤

1. DMA 配置：在左侧配置栏的 DMA1/DMA2 选项下，点击 Add。

2. 请求源：选择 MemToMem。

3. 配置细节：

   • Direction：Memory to Memory。

   • Increment Address (Memory)：Enable (源和目标都需要递增)。

HAL 库代码实现

uint8_t source_data[20] = {1, 2, ..., 20};
uint8_t dest_data[20];

// 在 main() 函数中启动 MemToMem 传输
HAL_DMA_Start_IT(hdma_mem2mem, 
                 (uint32_t)source_data, 
                 (uint32_t)dest_data, 
                 20); // 传输 20 个字节

// 传输完成回调
void HAL_DMA_TxCpltCallback(DMA_HandleTypeDef *hdma)
{
    if (hdma->Instance == DMA1_Stream1) {
        // 数据复制完成
    }
}

不用关心

DMA 和 HAL 库为你抽象了大量的底层细节，因此你不用关心：

1. DMA 寄存器地址：你不用直接操作 DMA_SxCR（控制寄存器）、DMA_SxNDTR（数据长度寄存器）等来配置流。HAL 库通过配置句柄（hdma_...）自动处理。

2. 外设触发信号：你不用关心外设（如 UART）在硬件上如何向 DMA 控制器发送请求（Request ID）。CubeMX 自动完成了 Trigger Event Selection 到 DMA 通道/流的映射。

3. 总线仲裁：你不需要编写代码来处理 DMA 和 CPU 之间的总线竞争。这是由 DMA 硬件逻辑自动管理的。

4. 中断标志位清除：HAL 库的通用 DMA 中断处理函数（HAL_DMA_IRQHandler）会自动清除 DMA 相关的中断标志位（如 TCIF, HTIF），然后才调用你的回调函数。

延伸：DMA 中断与错误处理

虽然在 Normal 模式下可以不使用 DMA 中断，但在 Circular 模式或需要高可靠性时，DMA 中断非常重要。

在 CubeMX 中，你只需启用 DMA 对应的 Stream 的 NVIC，HAL 库会自动将这些硬件中断映射到上述回调函数中。