【物联网】DMA传输原理与实现详解（超详细）

骑猪看日落 2024-03-22 22:27 74阅读 0赞

> DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种计算机数据传输方式，允许外围设备直接访问系统内存，而无需CPU的干预。  
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#### 文章目录 ####

*   *  Part 1: DMA的工作原理
     *   *  配置阶段：
         *  数据传输阶段：
     *  Part 2: DMA数据组成
     *  Part 3: DMA传输过程的实现
     *  Part 4: DMA中断处理和性能优化
     *   *  DMA中断处理：
         *  DMA性能优化：
     *  Part 5: STM32实现DMA
     *   *  基于标准库
         *  基于HAL库

### Part 1: DMA的工作原理 ###

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种计算机数据传输方式，允许外围设备直接访问系统内存，而无需CPU的干预。下面详细介绍DMA的工作原理：

#### 配置阶段： ####

1.  **配置源地址（Source Address）**：通过指定源地址，DMA可以知道需要传输数据的起始位置。
2.  **配置目标地址（Destination Address）**：指定目标地址，将数据传输到系统内存中的相应位置。
3.  **配置数据长度（Data Length）**：DMA需要知道需要传输的数据长度，以便正确地读取和写入数据。
4.  **配置控制信息（Control Information）**：例如传输模式、中断使能等参数，用于指定传输的具体配置。

#### 数据传输阶段： ####

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1.  **外设发起传输请求**：外围设备（如网络接口卡、硬盘控制器）向DMA控制器发起传输请求。
2.  **DMA控制器响应请求**：DMA控制器接收到传输请求后，暂停CPU的访问，并通过请求信号（如DMA请求信号）获取对系统总线的控制权。
3.  **读取数据**：DMA控制器从外设读取数据，并存储在内部缓冲区中。
4.  **数据传输**：DMA控制器将数据从内部缓冲区传输到系统内存中的目标地址。
5.  **传输完成通知**：当数据传输完成后，DMA控制器会释放对系统总线的控制权，并发出传输完成的中断信号，通知CPU。
6.  **CPU处理中断**：CPU接收到传输完成的中断信号后，会执行相应的中断处理程序。

### Part 2: DMA数据组成 ###

DMA传输涉及的数据主要有以下几种组成：

1.  **源地址（Source Address）**：源地址表示数据传输的起始地址，即外设设备中数据缓冲区的地址。DMA将从这个地址开始读取数据。
2.  **目标地址（Destination Address）**：目标地址表示数据传输的目的地址，即系统内存中的指定地址。DMA将数据传输到这个地址。
3.  **数据长度（Data Length）**：数据长度表示需要传输的数据大小。它可以以字节、字或者其他单位进行表示。
4.  **控制信息（Control Information）**：控制信息包括传输模式、中断使能等参数。在传输过程中，DMA根据这些参数来控制数据的传输行为。

此外，还有一些额外的参数和寄存器与DMA相关，用于配置和控制DMA的操作，例如：

1.  **DMA通道选择（DMA Channel Selection）**：在具有多个DMA通道的系统中，选择要使用的DMA通道。
2.  **DMA传输模式（DMA Transfer Mode）**：指定DMA传输的模式，如单次传输模式、循环传输模式等。
3.  **DMA中断使能（DMA Interrupt Enable）**：用于控制DMA传输完成时是否产生中断。

### Part 3: DMA传输过程的实现 ###

DMA的传输过程涉及多个步骤，包括启动DMA、请求传输、数据读取和写入等操作。  
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下面是DMA传输过程的一个简单实现示例：

1.  **配置DMA参数**：  
    在开始DMA传输之前，需要先配置DMA相关的参数，如源地址、目标地址、数据长度和控制信息等。这些参数通常通过设置相应的寄存器来实现。

// 配置DMA
    void configureDMA(uint32_t sourceAddr, uint32_t destAddr, uint32_t dataLength) {
        // 配置源地址和目标地址
        writeDMARegister(SOURCE_ADDRESS_REG, sourceAddr);
        writeDMARegister(DESTINATION_ADDRESS_REG, destAddr);
        
        // 配置数据长度
        writeDMARegister(DATA_LENGTH_REG, dataLength);
        
        // 配置控制信息，如传输模式、中断使能等
        writeDMARegister(CONTROL_INFO_REG, controlInfo);
    }

1.  **启动DMA传输**：  
    配置完成后，通过设置相应的使能寄存器，启动DMA传输。

// 启动DMA传输
    void startDMA() {
        // 设置DMA使能位
        writeDMARegister(ENABLE_REG, 1);
        
        // 发送传输请求
        sendDMARequest();
    }

1.  **请求传输**：  
    外设设备发出DMA请求，请求DMA控制权，开始数据传输过程。DMA控制器收到传输请求后，暂停CPU的访问，并通过请求信号（如DMA请求信号）获取对系统总线的控制权。

// 发送DMA传输请求
    void sendDMARequest() {
        // 发送DMA请求信号给DMA控制器
        setDMARequestSignal();
    }

1.  **数据读取和写入**：  
    DMA控制器根据配置的参数，从外设设备中读取数据，并将其写入系统内存中的目标地址。

// 读取数据并写入内存
    void transferData() {
        // 从外设读取数据
        uint32_t data = readDataFromPeripheral();
        
        // 写入内存
        writeDataToMemory(data);
    }

1.  **传输完成通知**：  
    当数据传输完成后，DMA控制器会释放对系统总线的控制权，并发送传输完成的中断信号，通知CPU。

// DMA中断处理函数
    void handleDMAInterrupt() {
        // 处理传输完成的中断信号
        // ...
    }

### Part 4: DMA中断处理和性能优化 ###

#### DMA中断处理： ####

在DMA传输完成时，DMA控制器可以触发一个中断，通知CPU传输已完成。CPU可以相应地执行中断处理程序，进行必要的操作。

1.  **中断使能设置：**  
    在配置DMA参数时，通过设置相应的控制信息，可以选择是否使能DMA传输完成中断。如果使能了中断，DMA传输完成时会产生中断请求信号。否则，传输完成后不会触发中断。
2.  **中断处理程序：**  
    在CPU侧，需要编写中断处理程序来处理DMA传输完成中断。中断处理程序负责执行相应的操作，如处理传输完成的数据、清除中断标志等。

#### DMA性能优化： ####

为了提高DMA传输的效率和性能，可以采取以下优化技术：

1.  **数据对齐（Data Alignment）：**  
    尽可能地对齐数据可以提高DMA的传输效率。许多硬件平台在DMA传输时对数据对齐有限制，所以确保数据在传输过程中的对齐是重要的。
2.  **数据块传输（Block Transfer）：**  
    DMA支持以块为单位的数据传输，逐次传输多个数据块，并在传输完成后给出一个中断通知。这种方式比每次传输一个数据更高效，减少了中断的开销和系统总线访问的次数。
3.  **通道优先级（Channel Priority）：**  
    在具有多个DMA通道的系统中，可以通过设置不同的通道优先级，来决定DMA通道之间的数据传输优先级。这样可以在多个外设设备同时请求传输时，对优先级较高的设备进行优先处理。
4.  **多重缓冲区（Double Buffering）：**  
    使用多个缓冲区来存储数据可以提高DMA传输效率。当DMA从一个缓冲区传输数据时，CPU可以同时向另一个缓冲区写入新的数据，从而实现并行操作。

### Part 5: STM32实现DMA ###

#### 基于标准库 ####

示例代码：

#include "stm32f10x.h"
    
    #define BUFFER_SIZE 100
    
    uint32_t sourceBuffer[BUFFER_SIZE];
    uint32_t destinationBuffer[BUFFER_SIZE];
    
    void DMA_Configuration(void) {
        
        DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
        
        RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
        
        DMA_DeInit(DMA1_Channel1);
        DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(ADC1->DR);
        DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)destinationBuffer;
        DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;
        DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = BUFFER_SIZE;
        DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
        DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
        DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
        DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
        DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;
        DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
        DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
        
        DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);
        
        DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);
    }
    
    int main() {
        
        // 初始化源缓冲区
        for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
        
            sourceBuffer[i] = i;
        }
        
        // 配置DMA
        DMA_Configuration();
        
        while (1) {
        
            // 等待DMA传输完成
            while (!DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC1));
            
            // 处理传输完成的数据
            for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
        
                // 处理destinationBuffer中的数据
                // ...
            }
            
            // 清除DMA传输完成标志位
            DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC1);
        }
    }

在这个示例代码中，首先通过`DMA_Configuration`函数进行DMA的配置。然后在主循环中等待DMA传输完成的标志位，处理传输完成的数据，并清除传输完成标志位。

#### 基于HAL库 ####

示例代码：

#include "stm32f1xx_hal.h"
    
    #define BUFFER_SIZE 100
    
    DMA_HandleTypeDef hdma_adc1;
    
    uint32_t sourceBuffer[BUFFER_SIZE];
    uint32_t destinationBuffer[BUFFER_SIZE];
    
    void DMA_Configuration(void) {
        
        __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
        
        hdma_adc1.Instance = DMA1_Channel1;
        hdma_adc1.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
        hdma_adc1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
        hdma_adc1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
        hdma_adc1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
        hdma_adc1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
        hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
        hdma_adc1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
        
        HAL_DMA_Init(&hdma_adc1);
        
        __HAL_LINKDMA(&hadc1, DMA_Handle, hdma_adc1);
        
        HAL_DMA_Start(&hdma_adc1, (uint32_t)&(ADC1->DR), (uint32_t)destinationBuffer, BUFFER_SIZE);
    }
    
    void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
        
        // 处理传输完成的数据
        for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
        
            // 处理destinationBuffer中的数据
            // ...
        }
    }
    
    int main() {
        
        // 初始化源缓冲区
        for (int i = 0; i < BUFFER_SIZE; i++) {
        
            sourceBuffer[i] = i;
        }
        
        // 配置DMA
        DMA_Configuration();
        
        // 启动ADC转换
        HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)sourceBuffer, BUFFER_SIZE);
        
        while (1) {
        
            // 主循环中不需要额外的处理
            
            // 在需要使用CPU的其他任务中加入适当的延时或等待DMA传输完成的标志位
            // ...
        }
    }

这个示例使用了STM32Cube HAL库提供的HAL库函数进行DMA的配置和控制。在`DMA_Configuration`函数中，使用`HAL_DMA_Init`函数进行DMA的初始化，并且通过`__HAL_LINKDMA`宏将DMA与ADC关联起来。在`HAL_ADC_ConvCpltCallback`函数中，处理传输完成的数据。

[29180653e27949799de82b70f37e2e97.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/14/377fbb0ace9c431b9a792ec6ac86fe23.png
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