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【嵌入式原理系列-第七篇】DMA：从原理到配置全解析

news 2025/9/10 13:29:41

引言

一.源地址和目的地址

二.传输方向

三.外设位宽和存储器位宽

四.地址增量

五.传输计数

六.DMA和外设的处理通知

七.数据块传输和硬件FIFO

八.循环模式和普通模式

九.传输完成通知

十.DMA通道及优先级

引言

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）是 MCU 中的重要外设，它的出现主要是为了提高数据拷贝的效率，通过一定的设计使得DMA可以代替CPU进行数据拷贝，从而将CPU从这种重复又耗时的工作中解放出来。

一.源地址和目的地址

DMA既然需要做数据拷贝，那么就需要指定源地址和目的地址，即从哪拷贝到哪。那么可以指定哪些目标？

可指定的目标分为两类：

存储器：我们知道MCU的存储主要分为易失性存储器和非易失性存储器。DMA一般来说是无法对非易失性存储器进行操作的（用于存放数据的Data Flash由于只能按块读写，需要软件进行参与管理）。因此我们的目标也就是我们经常说的RAM（这里不区分SRAM和DRAM，统称RAM）。因此指定的存储器地址其实就是我们声明的全局变量的首地址。
外设：这里指定的外设一般是通信类外设，比如UART。指定的外设地址实际上是外设提供的硬件缓冲区的地址，具体地址需要查询芯片手册。

二.传输方向

指定了源地址和目的地址后，我们还需要指定传输方向。即以下三选一(DMA不提供外设到外设的传输方向，一般来说这个选项没有实际意义)：

存储器(源)到外设(目的)：使用较多，属于本文介绍的主要内容
外设(源)到存储器(目的)：使用较多，属于本文介绍的主要内容
存储器(源)到存储器(目的)：加速大数据块的拷贝传输（一般用的较少）

为什么指定了地址后还需要指定方向呢？DMA不能根据所指定的地址自行判断源和目的类型么？

我们需要知道MCU提供的地址有可能是虚拟地址，对于外设来说其缓冲区地址可能经过复杂的映射。并不像直接访问RAM那样方便。如果由用户随意指定地址交由DMA判断类型以及合法性，无疑会大大提供设计上的复杂度以及安全隐患。

通过简单的指定传输方向可以很大程度减少DMA设计复杂度，属于看起来冗余但是有用的设计。

三.外设位宽和存储器位宽

接下来我们需要配置外设位宽和存储器位宽。我们知道外设/CPU/存储器是通过总线来进行互通的，数据的通信效率收到总线位宽的限制。同时DMA的传输效率也收到源和目的地址能够处理的位宽最大值限制。

即我们每次DMA传输能发送的数据大小收到三个方面限制：

源地址每次操作位宽
目的地址每次接收位宽
总线位宽

为了提高DMA的效率，一般源地址和目的地址位宽设置遵循以下规则：

两者位宽一般设置相同值
位宽满足MIN(源位宽，目的位宽，总线位宽)：当用于外设和存储器之间通信时，一般实际都是受外设最大处理位宽限制。
存储器设置优化：存储器的首地址和缓冲大小设置成4的倍数，这样可以减少拷贝过程中的对齐消耗。

四.地址增量

我们现在已经配置好了传输地址/传输方向/位宽。但是我们现在指定的地址是一个固定地址，假设传输方向是存储器到外设，位宽1字节，那么每次都是从固定地址取1字节，这样无疑非常低效。

因此，DMA提供了增量模式。即当设置后以上参数后，每次DMA传输会在位宽及相关参数的基础上偏移一个地址，这样就可以进行连续传输，比如将一个256字节的RAM数组从头到尾传输到UART外设。

存储器一般都需要配置为增量模式以提高传输效率，外设看具体芯片支持情况，大部分芯片的外设不支持外设地址增量（因为外设的缓冲区一般不大）。

五.传输计数

增量模式下，DMA并不知道你的缓冲区边界在哪里，因此需要显式指明传输计数。只要配置了增量模式，则必须配置传输计数，否则可能存在非法越界访问的风险。传输计数根据单次传输数据量以及缓冲区总大小计算。

六.DMA和外设的处理通知

刚才说过了DMA是按照位宽设置及相关参数来搬运数据，单次搬运数据量有限。对于存储器到存储器的搬运连续传输即可。

对于外设到存储器或者存储器到外设，由于外设需要一定的处理时间，因此需要有通知机制保证数据传输的正确性。即当外设收到数据或者数据处理完成需要通知DMA进行下一步的数据搬运。

这个外设和DMA之间的通知机制是依赖硬件来执行的，也是DMA的核心。如果没有这个硬件机制，则每一步的传输确认都需要软件执行，也就失去了DMA释放CPU工作量的初心。

七.数据块传输和硬件FIFO

前面介绍了外设每次处理完成需要通知DMA，DMA才能进行下一步的数据拷贝操作，为了提供效率（如果芯片支持）我们可以在中间设置一个硬件FIFO缓冲区，DMA每次拷贝若干个数据单元到FIFO缓冲区，外设按照FIFO次序顺序处理缓冲区的数据，这样可以减少DMA拷贝的次数。这个模式就叫做数据块传输。

需要注意的是，数据块传输必须配置DMA FIFO，否则无法生效，同时FIFO的深度需要大于数据块每次传输的最大数据量。

八.循环模式和普通模式

当按照传输计数和位宽传输完成了传输，理论上应该干什么？

当然是从头开始传输（循环模式）或者停止传输（普通模式）。DMA也提供了循环传输，当传输模式配置成循环+增量时，完成一轮传输后会从首地址重新进行传输。

循环模式下若CPU没来得及处理或者填充数据，重新开始传输会不会导致发送无效/重复数据（内存到外设）或者数据被覆盖（外设到内存）？

有可能出现此情况，因此在对安全性要求较高的汽车电子领域，一般采取以下做法。每次循环模式结束时，DMA会触发传输完成通知，CPU收到通知会立刻关闭循环模式，并根据传输方向进行数据填充或者数据处理，之后再打开循环模式。

既然如此为什么不直接配置普通模式，反正每次都是CPU关闭循环模式进行数据处理后再打开循环模式？

其实还是有意义的，因为循环模式下，许多参数不需要重新配置，如果是使用普通模式需要重新配置。此外循环模式对于一些对数据丢失不敏感的场景依然有很好的发挥。

车载领域适不适合使用双缓冲结构，即DMA往一个缓冲区写入/读取数据，CPU在另外一个缓冲区写入/读取数据？

安全性要求极高的车载领域，通常不推荐使用双缓冲结构。因为双缓冲机制要求CPU的处理速度必须始终高于DMA的数据吞吐速度，否则会导致缓冲区覆盖和数据丢失。这种依赖时序的假设在复杂的车载环境中难以得到绝对保证，因此引入了非确定性风险。更常见的做法是采用上述的‘半传输中断+循环模式’并结合安全机制（如看门狗、数据校验）来确保可靠性。

九.传输完成通知

DMA的传输完成通知一般使用中断形式，常用中断通知类型如下

• 传输完成中断：全部数据搬完后（由传输计数判断）再进行通知，一般用于传输方向内存到外设。若外设到内存使用此方法，当CPU处理数据时，新的数据可能会丢失，因此外设到内存一般建议使用半传输中断，此时不推荐使用传输完成中断。

• 半传输中断：

即搬运到缓冲区一半时触发（由传输计数判断），主要用于传输方向为外设到内存时，传输一半就进行中断通知，之前CPU处理前一半数据，DMA继续搬运后一半数据。

传输方向为内存到外设时，使用此中断可以使数据处理处理时间曲线更平滑，减少数据堆积时间，不强制使用。

• 传输错误中断：外设未就绪、总线出错、非法地址等

注意！