二十四、STM32的DMA

前言：现代 MCU 经常需要处理大量外设数据（ADC、UART、SPI、I²C 等），如果把这些数据搬运完全交给 CPU，会占用大量 CPU 周期，降低系统响应能力。**DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）**就是解决这个问题的利器：它可以在不占用 CPU 的情况下，把外设数据自动搬运到内存（或把内存数据搬到外设），显著降低 CPU 负担、提升实时性与吞吐量。

目录

一、DMA 是什么？为什么要用？

二、DMA 的总体架构

三、DMA 的典型传输方向与使用场景

四、DMA 的关键配置项与概念

五、DMA 的工作时序与中断

六、常见误区与调试要点

七、性能注意事项与优化建议

八、ADC+DMA

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一、DMA 是什么？为什么要用？

DMA 的本质：一个硬件控制器，负责在外设寄存器、内存和外设之间直接搬运数据，搬运过程中 CPU 不参与数据逐字节拷贝（但仍需做配置和处理完成后的逻辑）。

主要优点：

• 降低 CPU 占用：尤其适合大量或高速数据采集（如音频、传感器阵列、图像流等）。

• 更稳定的实时性：减少中断频率或避免中断上下文开销。

• 更高吞吐量：硬件搬运比软件循环拷贝更快、更节省总线带宽。

适用场景举例：ADC 多通道高速采样、UART 大量数据接收、SPI 快速数据传输、内存到内存的批量拷贝、PWM 波形输出缓冲等。

二、DMA 的总体架构

• STM32F1 系列通常有 DMA1（个别器件还有 DMA2）。

• DMA 被划分为 通道（Channel），每个通道映射到一个或多个外设事件（例如 ADC、USART、SPI 等）。通道数量有限（例如 DMA1 通常有 7 个通道）。

• 每个通道有自己的配置寄存器，控制源/目的地址、方向、数据宽度、优先级、传输长度、模式（循环/普通）等。

• DMA 与外设通过**请求映射（request mapping）**关联：某个外设触发数据准备（如 ADC EOC），会产生 DMA 请求到对应通道。

三、DMA 的典型传输方向与使用场景

• 外围设备 → 内存（Peripheral-to-Memory）
  场景：ADC 将转换结果推送到内存、USART RX 接收数据写内存。是最常见的用于数据采集的方向。

• 内存 → 外围设备（Memory-to-Peripheral）
  场景：从一个内存缓冲区把数据写到 DAC、UART TX、SPI TX（比如发送音频或图像数据）。

• 内存 → 内存（Memory-to-Memory）
  场景：大块内存数据搬运（在 F1 上支持有限，注意映射与配置）。用于缓冲区复制、DMA 驱动的块传输等。

• 双向 / 循环模式（实际是模式选择）
  循环（Circular）适合连续流数据采集；普通（Normal）适合一次性传输。

四、DMA 的关键配置项与概念

• 源地址（Peripheral address）与目的地址（Memory address）
  DMA 在搬运时会从源地址读取数据并写到目的地址；比如 ADC->内存: 源=ADC_data_register，目的=缓冲区首地址。

• 传输方向（Direction）：见上一节。

• 传输长度（Number of Data）：要搬运的数据项个数（不是字节数，依赖数据宽度）。

• 数据宽度（Peripheral & Memory Data Size）：常见为 8-bit、16-bit、32-bit。ADC（12-bit）一般使用 16-bit 宽度（half-word），UART 通常用 8-bit。数据宽度必须匹配硬件与缓冲格式。

• 地址递增（Peripheral increment / Memory increment）：是否在每次传输后自动增加地址。外设寄存器通常禁用地址递增（固定地址），内存缓冲通常启用递增。

• 传输模式（Normal / Circular）：

  • Normal：完成指定数量传输后停止并触发完成中断。

  • Circular：完成后自动重新开始（围绕缓冲区），适合连续采样。

• 优先级（Priority）：在多通道竞争 DMA 总线时决定抢占顺序（高优先级通道更早获得总线）。

• 中断/标志：半传中断（Half Transfer）、传输完成中断（Transfer Complete）、传输错误中断。半传在循环模式下非常有用——可以实现“前半缓冲处理同时后半缓冲接收”的方案。

五、DMA 的工作时序与中断

• 启动步骤（概念层面）：

  1. 配置 DMA（源/目地址、长度、宽度、递增、模式、优先级）。

  2. 配置外设（使能外设 DMA 请求，比如 ADC_DMACmd）。

  3. 使能 DMA 通道与相关中断（如果需要）。

  4. 启动外设触发（ADC 软件触发或定时器触发），数据开始流入缓冲区。

• 半传中断（HT）与传输完成中断（TC）：
  在循环模式下，半传中断可以触发处理已填满的缓冲区一半数据，而 DMA 继续写入另一半；传输完成中断则表示一轮缓冲写满。利用这两个事件可以实现无缝“生产者-消费者”模式。

• 错误处理：DMA 也可能产生传输错误（比如总线错误），要有相应的检测与恢复策略（重启 DMA、报警等）。

六、常见误区与调试要点

• 误区：DMA 一开就万事大吉
  DMA 确实减轻 CPU，但错误配置（地址错误、长度错误、宽度不匹配）会导致数据错位、溢出或硬件挂起。调试时重点检查外设数据寄存器地址、数据宽度和内存缓冲区大小。

• 误区：半传中断和全传中断二者可互相替代
  半传中断用于“流式处理”更低延迟；若只用全传中断，会在缓冲写满后才处理，可能加大延迟。

• 调试技巧：

  • 先用短缓冲进行功能验证（例如 4 个采样点）；

  • 打开半传/全传中断并在 ISR 中简单翻转 IO（示波器观察）确认触发节奏；

  • 检查 DMA 优先级与竞争关系；

  • 确认内存对齐（16-bit/32-bit）与 CPU 访问不会引起未对齐故障。

• 跨域缓存问题（高级）：F1 的 Cortex-M3 没有数据缓存问题，然而在更高端系列（如 Cortex-M7）需要考虑 D-cache 与 DMA 的一致性：使用缓存刷新/失效或使用不可缓存内存区。

七、性能注意事项与优化建议

• 选择合适的数据宽度：尽量让外设与内存宽度匹配，减少额外的对齐/移动操作（例如 ADC 用 16-bit 存储）。

• 优先级与通道分配：把关键通道设高优先级；避免多个高频外设共享同一 DMA 通道。

• 中断开销最小化：把处理尽量放到任务或主循环，不在 ISR 中做大量计算；使用半传中断只做标记并在主循环处理。

• 使用循环模式处理持续数据流：比如 ADC 连续采样或串口持续接收，循环模式可以避免频繁重启 DMA。

• 考虑缓冲大小权衡：小缓冲降低延迟但增加中断频率；大缓冲降低中断负担但增加响应延迟。

八、ADC+DMA

• 当需要实时采集多通道数据（如传感器阵列、音频采样、振动分析等）时，CPU 去轮询或处理中断会消耗大量计算资源，甚至跟不上数据速率。

• ADC + DMA 可以实现：ADC 将转换结果自动写入内存缓冲区，CPU 仅在缓冲半满或满时处理数据，极大提高效率与实时性。

配置流程：

• 设计缓冲区：为采样结果准备好连续的内存数组（例如 uint16_t buffer[NUM_SAMPLES];）。通常选择 16-bit 单元来保持 ADC 的 12-bit 数据。

• 配置 ADC：

  • 打开 ADC 时钟，设置采样时间、分辨率（12-bit）、触发模式（软件或定时器触发）、扫描模式（若为多通道自动扫描）。

  • 对于多通道自动采样，启用扫描模式并在序列寄存器中设置通道顺序。

• 配置 DMA（外设 → 内存）：

  • 源地址：ADC 数据寄存器地址（固定）；目的地址：缓冲区首地址；

  • 数据宽度：一般选择 16-bit（half-word）；

  • 内存地址递增：启用；外设地址递增：禁用；

  • 模式：如果是持续采样（例如定时器触发连续采样），选择 Circular（循环） 模式；若是一次性采集选择 Normal。

  • 启用半传/全传中断（根据需要）。

• 把 ADC 的 DMA 请求打开（告诉 ADC 在 EOC 时发出 DMA 请求，让 DMA 自动搬运数据）。

• 启动 ADC（与触发器）与 DMA 通道：在正确的时序下启动 DMA，然后启动 ADC & 触发（如果用定时器触发，启动定时器）。

• 在中断/任务中处理数据：

  • 如果使用循环模式并启用了半传/全传中断：在半传中断中处理缓冲区前半，在全传中断中处理后半；处理完后继续让 DMA 循环写入。

  • 如果使用普通模式：在传输完成中断中处理整个缓冲区并可重新配置/重启 DMA。

下一章节将详细讲解代码部分。