浅谈MCU的DMA技术

浅谈MCU的DMA技术

DMA技术简介

DMA外设和存储器（或存储器和存储器）直接通过总线进行数据交换而不经过CPU的技术。在MCU中，DMA是一项十分重要的技术，它可以降低CPU的处理压力，提高外设数据的处理效率。

概念：

通道：DMA的通道表示一组外设对存储器的请求，
数据对齐：源和目的数据源的地址要对齐，传输宽度对齐
仲裁器：协调优先权，多个外设访问同一个存储器时可通过软件设置优先级，优先级相同时由硬件决策

DMA的定义可以看出，这是一种利用总线的技术，降低CPU在数据读取和存储上面的压力，可以执行其他操作。当CPU初始化这个传输动作，传输动作本身是由DMA 控制器来实行和完成。

DMA 控制器和Cortex-M3核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请求可能会停止 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。

stm32F4中的DMA

DMA主要特性

直接存储器访问 (DMA) 用于在外设与存储器之间以及存储器与存储器之间提供高速数据传输。可以在无需任何 CPU 操作的情况下通过 DMA 快速移动数据。这样节省的 CPU 资源可供其它操作使用。

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。

两个 DMA 控制器总共有 16 个数据流（每个控制器 8 个），每一个 DMA 控制器都用于管理一个或多个外设的存储器访问请求。每个数据流总共可以有多达 8 个通道（或称请求）。每个通道都有一个仲裁器，用于处理 DMA 请求间的优先级。

每个数据流有单独的四级 32 位先进先出存储器缓冲区 (FIFO)
可供每个数据流选择的通道请求多达 8 个。此选择可由软件配置，允许几个(several，注意不是同时启用)。在DMA_SxCR数据流配置寄存器中，CHSEL[2:0]唯一确定一个通道的使用)外设启动 DMA请求

手册上的框图为：

根据上表可以看出，一个DMA控制器管理8个数据流，每个数据流含8个通道，每个数据流在外设和存储器之间均存在一个FIFO做数据缓冲。

每个数据流都与一个 DMA 请求相关联，然而并不是每个通道都能与一个DMA请求相关联，例如DMA1：

即每个数据流选择一个通道内的DMA请求生效，源传输和目标传输在整个 4 GB 区域（地址在 0x0000 0000 和 0xFFFF FFFF 之间）都可以寻址外设和存储器。

三种传输模式

外设到存储器
- 使能这种模式（将 DMA_SxCR寄存器中的位 EN 置 1）时，每次产生外设请求，数据流都会启动数据源到 FIFO 的传输。
- 达到 FIFO 的阈值级别时，FIFO 的内容移出并存储到目标中，直接模式下每完成一次从外设到 FIFO 的数据传输后，相应的数据立即就会移出并存储到目标中。
- 只有赢得仲裁后，FIFO数据才会被取走
存储器到外设
- 使能这种模式（将 DMA_SxCR 寄存器中的 EN 位置 1）时，数据流会立即启动传输，从源完全填充 FIFO。
- 每次发生外设请求，FIFO 的内容都会移出并存储到目标中。
- 只有赢得了数据流的仲裁后，相应数据流才有权访问 AHB 源或目标端口。
存储器到存储器
- DMA 通道在没有外设请求触发的情况下同样可以工作。
- 通过将 DMA_SxCR 寄存器中的使能位 (EN) 置 1 来使能数据流时，数据流会立即开始填充 FIFO，直至达到阈值级别。达到阈值级别后，FIFO 的内容便会移出，并存储到目标中。
- 只有赢得了数据流的仲裁后，相应数据流才有权访问 AHB 源或目标端口。

上面说的这三种模式，其实简单的理解下就是数据可以先放入FIFO，等待触发时一次取走或写入，或者直接模式不用等FIFO到达阈值就操作。

DMA的配置与工作流程

DMA可以类比为仓库的货物搬移，因此需要配置以下几个基本的条件：仓库的位置，仓库的单位，仓库的大小，搬的方式。以HAL库的配置方式为例：

配置目的地和源，这里可以认为是仓库的位置

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&DCMI->DR; //外设地址
DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = DMA_Memory0BaseAddr; //DMA 存储器0地址

配置DMA缓存大小，可以认为是仓库的容量

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = DMA_BufferSize; //数据传输量

配置外设和存储器地址寄存器是否递增，这里的意思是数据是放在同一个地方还是递增往下放，源和目的单独可配

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设非增量模式
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc; //存储器增量模式

设置外设和存储器数据宽度，仓库的单位，单位不一致放置会出问题。

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Word; //外设数据长度:32位
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize; //存储器数据长度

设置DMA工作模式（循环或正常（单次））

DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; // 使用循环模式

设置优先级

DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; //高优先级

设置模式（外设到存储器，存储器到外设，存储器到存储器）

DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory; //外设到存储器模式
DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Enable; //FIFO模式
DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_Full; //使用全FIFO
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single; //外设突发单次传输
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single; //存储器突发单次传输

以摄像头DCMI的DMA配置为例

首先看代码:

//DCMI DMA配置
//DMA_Memory0BaseAddr:存储器地址    将要存储摄像头数据的内存地址(也可以是外设地址)
//DMA_BufferSize:存储器长度    0~65535
//DMA_MemoryDataSize:存储器位宽
//DMA_MemoryDataSize:存储器位宽
//DMA_MemoryInc:存储器增长方式
void DCMI_DMA_Init(u32 DMA_Memory0BaseAddr, u16 DMA_BufferSize, u32 DMA_MemoryDataSize, u32 DMA_MemoryInc)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    //RCC_AHB2PeriphClockCmd(RCC_AHB2Periph_DCMI, ENABLE);//DCMI 
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2,ENABLE);//DMA2时钟使能 
    
    DMA_DeInit(DMA2_Stream1);
    while (DMA_GetCmdStatus(DMA2_Stream1) != DISABLE) //等待DMA2_Stream1可配置
    {
    }

    /* 配置 DMA Stream */
    DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_1;  //通道1 DCMI通道
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)&DCMI->DR; //外设地址为:DCMI->DR
    DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = DMA_Memory0BaseAddr; //DMA 存储器0地址
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory; //外设到存储器模式
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = DMA_BufferSize; //数据传输量
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; //外设非增量模式
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc; //存储器增量模式
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Word; //外设数据长度:32位
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize; //存储器数据长度
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular; // 使用循环模式
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; //高优先级
    DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Enable; //FIFO模式
    DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_Full; //使用全FIFO
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single; //外设突发单次传输
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single; //存储器突发单次传输
    DMA_Init(DMA2_Stream1, &DMA_InitStructure); //初始化DMA Stream

    DMA_ITConfig(DMA2_Stream1,DMA_IT_TC,ENABLE);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel= DMA2_Stream1_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据指定的参数初始化VIC寄存器、
}

void DMA2_Stream1_IRQHandler(void)
{        
    if(DMA_GetFlagStatus(DMA2_Stream1,DMA_FLAG_TCIF1)==SET)//DMA2_Steam1,传输完成标志
    {  
         DMA_ClearFlag(DMA2_Stream1,DMA_FLAG_TCIF1);//清除传输完成中断
            datanum++;
    }                                                
}

首先是手册，可以使用DCMI的DMA数据流是DMA2的流1和流7的通道1，配置流程：

while循环等待DMA2完成一次传输后配置DMA2，这里选择的是流1的通道1。
之后配置外设地址和存储器地址，传输模式，数据传输量为1，即每次传1个字节。
DCMI的地址是固定的，因此外设是非增量的，存储器是LCD，地址固定的非增量，长度为16位，外设是RGB565长度选择16位。
传输是循环显示的，因此要循环模式，配置FIFO和传输方式，初始化DMA2和中断

使用DMA读写数据与CPU操作的对比

我们做一个小实验，可能不一定准确，即通过DMA方式给USART发送数据进行计时计数，和通过CPU调用USART发送数据的时间进行对比，代码基础是在原子代码上修改而来。

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include "sram.h"
#include "malloc.h"
#include "ILI93xx.h"
#include "led.h"
#include "timer.h"
#include "touch.h"
#include "GUI.h"
#include "GUIDemo.h"
#include "includes.h"
#include "../RESOURCES/logo/logo/Logo.h"
#include "usmart.h"
#include "spi.h"
#include "w25qxx.h"
#include "24cxx.h"
#include "main_tasks.h"
#include "ff.h"
#include "exfuns.h"
#include "fattester.h"
#include "adc.h"
#include "dma.h"

volatile uint32_t gcounter = 0;
const u8 TEXT_TO_SEND[]={"STM32F4 DMA TEST. "};
void extra_while_task(void);

//通用定时器5中断初始化
//arr：自动重装值。
//psc：时钟预分频数
//定时器溢出时间计算方法:Tout=((arr+1)*(psc+1))/Ft us.
//Ft=定时器工作频率,单位:Mhz
//这里使用的是定时器3!
void TIM5_Int_Init(u16 arr, u16 psc)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);  ///使能TIM4时钟

    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;  //定时器分频
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上计数模式
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;   //自动重装载值
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;

    TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseInitStructure);

    TIM_ITConfig(TIM5, TIM_IT_Update, ENABLE); //允许定时器3更新中断
    TIM_Cmd(TIM5, ENABLE); //使能定时器3

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn; //定时器4中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02; //抢占优先级1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x03; //子优先级3
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}
//定时器5中断服务函数
void TIM5_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) == SET) //溢出中断
    {
        gcounter++;
    }
    TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_Update);  //清除中断标志位
}

//DMAx的各通道配置
//这里的传输形式是固定的,这点要根据不同的情况来修改
//从存储器->外设模式/8位数据宽度/存储器增量模式
//DMA_Streamx:DMA数据流,DMA1_Stream0~7/DMA2_Stream0~7
//chx:DMA通道选择,@ref DMA_channel DMA_Channel_0~DMA_Channel_7
//par:外设地址
//mar:存储器地址
//ndtr:数据传输量  
void MYDMA_Config(DMA_Stream_TypeDef *DMA_Streamx,u32 chx,u32 par,u32 mar,u16 ndtr)
{ 
 
    DMA_InitTypeDef  DMA_InitStructure;
    
    if((u32)DMA_Streamx>(u32)DMA2)//得到当前stream是属于DMA2还是DMA1
    {
      RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2,ENABLE);//DMA2时钟使能 
        
    }else 
    {
      RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1,ENABLE);//DMA1时钟使能 
    }
  DMA_DeInit(DMA_Streamx);
    
    while (DMA_GetCmdStatus(DMA_Streamx) != DISABLE){}//等待DMA可配置 
    
  /* 配置 DMA Stream */
  DMA_InitStructure.DMA_Channel = chx;  //通道选择
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = par;//DMA外设地址
  DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = mar;//DMA 存储器0地址
  DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_MemoryToPeripheral;//存储器到外设模式
  DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = ndtr;//数据传输量 
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;//外设非增量模式
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;//存储器增量模式
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;//外设数据长度:8位
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;//存储器数据长度:8位
  DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;// 使用普通模式 
  DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium;//中等优先级
  DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;         
  DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_Full;
  DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;//存储器突发单次传输
  DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;//外设突发单次传输
  DMA_Init(DMA_Streamx, &DMA_InitStructure);//初始化DMA Stream
    

} 
//开启一次DMA传输
//DMA_Streamx:DMA数据流,DMA1_Stream0~7/DMA2_Stream0~7 
//ndtr:数据传输量  
void MYDMA_Enable(DMA_Stream_TypeDef *DMA_Streamx,u16 ndtr)
{
 
    DMA_Cmd(DMA_Streamx, DISABLE);                      //关闭DMA传输 
    
    while (DMA_GetCmdStatus(DMA_Streamx) != DISABLE){}  //确保DMA可以被设置  
        
    DMA_SetCurrDataCounter(DMA_Streamx,ndtr);          //数据传输量  
 
    DMA_Cmd(DMA_Streamx, ENABLE);                      //开启DMA传输 
}

int main(void)
{
    u8 count = 0;
    uint8_t buffer[256];
    u8 res = 0;
    POINT_COLOR = DARKBLUE;
    delay_init(168);        //延时初始化
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);     //中断分组配置
    uart_init(115200);      //串口波特率设置
    TFTLCD_Init();          //初始化LCD
    KEY_Init();
    LED_Init();             //LED初始化
    TIM3_Int_Init(10000 - 1, 16800 - 1); //10Khz计数,1秒钟中断一次
    //不需要经过OS的任务
    extra_while_task();
    
}

#define SEND_BUF_SIZE 8000
void extra_while_task(void)
{
    u32 i = 0;
    u8 t=0,mask=0,j=sizeof(TEXT_TO_SEND);
    u8 SendBuff[SEND_BUF_SIZE]; //发送数据缓冲区
    if(1)
    {
        for(i=0;i<SEND_BUF_SIZE;i++)//填充ASCII字符集数据
        {
            if(t>=j)//加入换行符
            {
                if(mask)
                {
                    SendBuff[i]=0x0a;
                    t=0;
                }else 
                {
                    SendBuff[i]=0x0d;
                    mask++;
                }   
            }else//复制TEXT_TO_SEND语句
            {
                mask=0;
                SendBuff[i]=TEXT_TO_SEND[t];
                t++;
            }          
        }        
        Adc_Init();         //初始化ADC
        TIM5_Int_Init(10 - 1, 16800 - 1); //10Khz计数,10个us中断一次
        while(1)
        {
            //Get_Adc_Average(ADC_Channel_5,20);//获取通道5的转换值，20次取平均
            //按DMA发送
            MYDMA_Config(DMA2_Stream7,DMA_Channel_4,(u32)&USART1->DR,(u32)SendBuff,SEND_BUF_SIZE);//DMA2,STEAM7,CH4,外设为串口1,存储器为SendBuff,长度为:SEND_BUF_SIZE.
            USART_DMACmd(USART1,USART_DMAReq_Tx,ENABLE);  //使能串口1的DMA发送     
            gcounter = 0;
            MYDMA_Enable(DMA2_Stream7,SEND_BUF_SIZE);     //开始一次DMA传输！
            while(1)
            {
                if(DMA_GetFlagStatus(DMA2_Stream7,DMA_FLAG_TCIF7)!=RESET)//等待DMA2_Steam7传输完成
                { 
                    DMA_ClearFlag(DMA2_Stream7,DMA_FLAG_TCIF7);//清除DMA2_Steam7传输完成标志
                    printf("dma over: %d\r\n",gcounter);
                    break; 
                }
            }
            //按CPU发送
            printf("cpu start\r\n");
            gcounter = 0;
            for(i = 0;i<SEND_BUF_SIZE;i++)
            {
                while ((USART1->SR & 0X40) == 0); //循环发送,直到发送完毕
                USART1->DR = (u8)SendBuff[i];
            }
            printf("cpu over: %d\r\n",gcounter);
            while(1);//halt
        }
    }
}

实验结果，DMA的计数是355:

USART直接发送是392：

发送的数据量是8000个字节，相当于8k，当数据量更大时DMA的优势就很明显了。

STM32 浅谈MCU的DMA技术