DMA 详解

[toc]

一、简介

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）顾名思义，就是绕开 CPU 直接访问 Memory。在计算机中，相比 CPU，Memory 和外设的速度是非常慢的，因而在 Memory 和 Memory (或者 Memory 和外设)之间搬运数据，非常浪费 CPU 的时间，造成 CPU 无法及时处理一些实时事件。因此，工程师们就设计出来一种专门用来搬运数据的器件——DMA 控制器（DMA Controller，DMAC），协助 CPU 进行数据搬运。


由上图可知，DMA 无需 CPU 直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为 RAM 与 I/O 设备开辟一条直接传送数据的通路，能使 CPU 的效率大为提高。

  • 使用 DMA，对于高速设备而言，如硬盘，它不只是降低 CPU 的使用率，而且还能大大提高硬件设备的吞吐量。
  • 因为对于这种设备，CPU 直接供应数据的速度太低。 CPU 一个总线周期最多只能存取一次总线，而且对于 ARM 设备，它不能把内存中 A 地址的值直接搬到 B 地址。它只能先把 A 地址的值搬到一个寄存器，然后再从这个寄存器搬到 B 地址。也就是说，对于 ARM，要花费两个总线周期才能将 A 地址的值送到 B 地址。
  • 而 DMA 就不同了，一般系统中的 DMA 都有突发（Burst）传输的能力，在这种模式下，DMA 能一次传输几个甚至几十个字节的数据，所以使用 DMA 能使设备的吞吐能力大为增强。

使用 DMA 时我们必须要注意如下几点：

  • DMA 使用物理地址，程序是使用虚拟地址的，所以配置 DMA 时必须将虚拟地址转化成物理地址
    因为程序使用虚拟地址，而且一般使用 Cache 地址，所以 Cache 中的内容与其物理地址（内存）的内容不一定一致，所以在启动 DMA 传输前一定要将该地址的 Cache 刷新，即写入内存
  • OS 并不能保证每次分配到的内存空间在物理上是连续的。尤其是在系统使用过一段时间而又分配了一块比较大的内存时。所以每次都需要判断地址是不是连续的，如果不连续就需要把这段内存分成几段让 DMA 完成传输

二、STM32 中的 DMA

刚才简单介绍了一下，什么是 DMA，下面结合实例，看一下 DMA 是怎么在 STM32 中使用的。

1、DMA 框图

这是 STM32F4xx 设备的 DMA 框图：

每个通道都直接连接专用的硬件 DMA 请求，每个通道都同样支持软件触发。这些功能通过软件来配置：

  1. 在同一个 DMA 模块上，多个请求间的优先权可以通过软件编程设置（共有四级：很高、高、中等和低），优先权设置相等时由硬件决定（请求 0 优先于请求 1，依此类推）；
  2. 独立数据源和目标数据区的传输宽度（字节、半字、全字），模拟打包和拆包的过程。源和目标地址必须按数据传输宽度对齐；
  3. 支持循环的缓冲器管理；
  4. 每个通道都有 3 个事件标志（DMA 半传输、DMA 传输完成和 DMA 传输出错），这 3 个事件标志逻辑或成为一个单独的中断请求；
  5. 存储器和存储器间的传输、外设和存储器、存储器和外设之间的传输；
  6. FLASH、SRAM、外设的 SRAM、APB1、APB2 和 AHB 外 设均可作为访问的源和目标；
  7. 可编程的数据传输数目：最大为 65535。

中间的 FIFO 区，每个数据流（总共 8 个数据流）都有一个独立的 FIFO，可以实现存储器接口到外设接口之间的数据长度==非对齐传输==。

1.1 传输方式

DMA 的作用就是实现数据的直接传输，而去掉了传统数据传输需要 CPU 寄存器参与的环节，主要涉及三种情况的数据传输，但本质上是一样的，都是从内存的某一区域传输到内存的另一区域（外设的数据寄存器本质上就是内存的一个存储单元）。三种情况的数据传输如下：

  • 外设到内存)
  • 内存到外设
  • 内存到内存

DMA1 控制器 AHB 外设端口与 DMA2 控制器的情况不同，不连接到总线矩阵，因此，仅 DMA2 数据流能够执行内存到内存的传输

在发生一个事件后，外设向 DMA 控制器发送一个请求信号。DMA 控制器根据通道的优先权处理请求。当 DMA 控制器开始访问发出请求的外设时，DMA 控制器立即发送给它一个应答信号。当从 DMA 控制器得到应答信号时，外设立即释放它的请求。一旦外设释放了这个请求，DMA 控制器同时撤销应答信号。DMA 传输结束，如果有更多的请求时，外设可以启动下一个周期。

总之，每次 DMA 传送由 3 个操作组成：

  1. 从外设数据寄存器或者从当前外设/存储器地址寄存器指示的存储器地址取数据，第一次传输时的开始地址是 DMA_CPARx 或DMA_CMARx 寄存器指定的外设基地址或存储器单元；
  2. 存数据到外设数据寄存器或者当前外设/存储器地址寄存器指示的存储器地址，第一次传输时的开始地址是 DMA_CPARx 或 DMA_CMARx 寄存器指定的外设基地址或存储器单元；
  3. 执行一次 DMA_CNDTRx 寄存器的递减操作，该寄存器包含未完成的操作数目。

DMA 有以下两种传输方式：

  1. DMA_Mode_Normal（正常模式）：当一次 DMA 数据传输完后，停止 DMA 传送 ，也就是==只传输一次==
  2. DMA_Mode_Circular（循环传输模式）：当传输结束时，硬件自动会将传输数据量寄存器进行重装，进行下一轮的数据传输。 也就是==多次传输模式==

1.2 仲裁器

仲裁器用于仲裁数据流 0~7 的请求优先级，保证数据有序传输。

仲裁器根据通道请求的优先级来启动外设/存储器的访问。优先权管理分2个阶段：

  1. 软件：每个通道的优先权可以在 DMA_CCRx 寄存器中设置，有 4 个等级：
    • 最高优先级
    • 高优先级
    • 中等优先级
    • 低优先级；
  2. 硬件：如果 2 个请求有相同的软件优先级，则较低编号的通道比较高编号的通道有较高的优先权。比如：如果软件优先级相同，通道 2 优先于通道 4。

注意： 在大容量产品和互联型产品中，DMA1 控制器拥有高于 DMA2 控制器的优先级。

1.3 数据流

仅限于 Cortex-M4 内核上有数据流

8 个 DMA 控制器数据流都能够提供源和目标之间的单向传输链路。每个数据流配置后都可以执行：

  • 常规类型事务：存储器到外设、外设到存储器或存储器到存储器的传输。
  • 双缓冲区类型事务：使用存储器的两个存储器指针的双缓冲区传输（当 DMA 正在进行自/至缓冲区的读/写操作时，应用程序可以进行至/自其它缓冲区的写/读操作）。要传输的数据量（多达 65535）可以编程，并与连接到外设 AHB 端口的外设（请求 DMA 传输）的源宽度相关。每个事务完成后，包含要传输的数据项总量的寄存器都会递减。

STM32F4xx 有两个 DMA：DMA1、DMA2，其请求映射如下表：

1.4 指针递增模式

根据 DMA_SxCR 寄存器中 PINC 和 MINC 位的状态，外设和存储器指针在每次传输后可以自动向后递增或保持常量。当设置为增量模式时，下一个要传输的地址将是前一个地址加上增量值。

通过单个寄存器访问外设源或目标数据时，禁止递增模式十分有用。

如果使能了递增模式，则根据在 DMA_SxCR 寄存器 PSIZE 或 MSIZE 位中编程的数据宽度，下一次传输的地址将是前一次传输的地址递增 1个数据宽度、2个数据宽度或 4个数据宽度。

1.5 存储器到存储器模式

DMA 通道的操作可以在没有外设请求的情况下进行，这种操作就是存储器到存储器模式。

当设置了 DMA_CCRx 寄存器中的 MEM2MEM 位之后，在软件设置了 DMA_CCRx 寄存器中的 EN 位启动 DMA 通道时，DMA 传输将马上开始。当 DMA_CNDTRx 寄存器变为 0 时，DMA 传输结束。存储器到存储器模式不能与循环模式同时使用。

这里要注意仅 DMA2 的外设接口可以访问存储器，所以仅 DMA2 控制器支持存储器到存储器的传输，DMA1 不支持。

1.6 DMA 中断

每个 DMA 通道都可以在 DMA 传输过半、传输完成和传输错误时产生中断。为应用的灵活性考虑，通过设置寄存器的不同位来打开这些中断。

2、DMA 配置

经过刚才的介绍可以知道，要配置 DMA，大致要实现如下内容：

  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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. DMA 中断使能（DMA Interrupt Enable）：用于控制 DMA 传输完成时是否产生中断。

下面的代码实现了 USART1 发送接口的 DMA 配置：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize           =   0;                               // 缓冲区大小   
DMA_InitStructure.DMA_Channel              =   DMA_Channel_4;                   // DMA通道4
DMA_InitStructure.DMA_DIR                  =   DMA_DIR_MemoryToPeripheral;      // 内存到外设
DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode             =   DMA_FIFOMode_Disable;            // 禁用FIFO模式
DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold        =   DMA_FIFOThreshold_1QuarterFull;  // FIFO阈值:1/4满
DMA_InitStructure.DMA_Mode                 =   DMA_Mode_Normal;                 // 正常模式
DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr      =   0;                               // 内存源地址
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize       =   DMA_MemoryDataSize_Byte;         // 内存数据长度
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst          =   DMA_MemoryBurst_Single;          // 单次传输
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc            =   DMA_MemoryInc_Enable;            // 内存地址自增
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr   =   (uint32_t)&(USART1->DR);         // 外设地址
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize   =   DMA_PeripheralDataSize_Byte;     // 外设数据长度
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst      =   DMA_PeripheralBurst_Single;      // 单次传输
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc        =   DMA_PeripheralInc_Disable;       // 外设地址不自增
DMA_InitStructure.DMA_Priority             =   DMA_Priority_Medium;             // 中等优先级

DMA_Init(DMA2_Stream7, &DMA_InitStructure);
DMA_ITConfig(DMA2_Stream7, DMA_IT_TC, ENABLE);
DMA_Cmd(DMA2_Stream7, DISABLE);

中断函数如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
void DMA2_Stream7_IRQHandler(void)
{
    if (DMA_GetFlagStatus(DMA2_Stream7, DMA_FLAG_TCIF7) != RESET)
    {
        DMA_ClearFlag(DMA2_Stream7, DMA_FLAG_TCIF7);
        ...
    }
}
嵌入式 > STM32
#嵌入式 #STM32
DMA 详解
http://example.com/2024/10/10/DMA/
作者
Yu xin
发布于
2024年10月10日
许可协议