【物联网】DMA传输原理与实现详解（超详细）

禁药2023-11-08 11:31

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。

文章目录

    • [Part 1: DMA的工作原理](#Part 1: DMA的工作原理 "#Part_1_DMA_5")
    • [Part 2: DMA数据组成](#Part 2: DMA数据组成 "#Part_2_DMA_33")
    • [Part 3: DMA传输过程的实现](#Part 3: DMA传输过程的实现 "#Part_3_DMA_53")
    • [Part 4: DMA中断处理和性能优化](#Part 4: DMA中断处理和性能优化 "#Part_4_DMA_127")
    • [Part 5: STM32实现DMA](#Part 5: STM32实现DMA "#Part_5_STM32DMA_154")

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：

  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。

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。
c++ 复制代码 
// 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。
c++ 复制代码 
// 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。
c++ 复制代码 
// 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。
c++ 复制代码 
// 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。
c++ 复制代码 
// 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：

c 复制代码 
#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：

c 复制代码 
#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。

相关推荐
浮梦终焉2 天前
_FYAW智能显示控制仪表的简单使用_串口通信
嵌入式·串口通信·fyaw
LunarCod2 天前
Linux驱动开发快速入门——字符设备驱动（直接操作寄存器&设备树版）
linux·驱动开发·设备树·嵌入式·c/c++·字符设备驱动
stone51952 天前
鸿蒙系统ubuntu开发环境搭建
c语言·ubuntu·华为·嵌入式·harmonyos
飞凌嵌入式2 天前
飞凌嵌入式旗下教育品牌ElfBoard与西安科技大学共建「科教融合基地」
嵌入式硬件·学习·嵌入式·飞凌嵌入式
飞凌嵌入式3 天前
飞凌嵌入式T113-i开发板RISC-V核的实时应用方案
人工智能·嵌入式硬件·嵌入式·risc-v·飞凌嵌入式
blessing。。3 天前
I2C学习
linux·单片机·嵌入式硬件·嵌入式
网易独家音乐人Mike Zhou3 天前
【卡尔曼滤波】数据预测Prediction观测器的理论推导及应用 C语言、Python实现（Kalman Filter）
c语言·python·单片机·物联网·算法·嵌入式·iot
jjyangyou5 天前
物联网核心安全系列——智能汽车安全防护的重要性
算法·嵌入式·产品经理·硬件·产品设计
FreakStudio5 天前
全网最适合入门的面向对象编程教程：59 Python并行与并发-并行与并发和线程与进程
python·单片机·嵌入式·面向对象·电子diy·电子计算机
憧憬一下6 天前
UART硬件介绍
arm开发·嵌入式硬件·串口·嵌入式·linux驱动开发
热门推荐
01Docker 夺命连环 15 问02PyTorch机器学习实现液态神经网络03【HarmonyOS】HUAWEI DevEco Studio 下载地址汇总04玄机平台应急响应—webshell查杀05Coze扣子平台完整体验和实践（附国内和国际版对比）06(欧拉)openEuler系统添加网卡文件配置流程、(欧拉)openEuler系统手动配置ipv6地址流程、(欧拉)openEuler系统网络管理说明07Stable Diffusion文生图技术详解：从零基础到掌握CLIP模型、Unet训练和采样器迭代08怎样让音频速度变慢？请跟随以下方法进行操作09RAG 实践- Ollama+RagFlow 部署本地知识库10怎么找小红书美食探店博主合作？