STM32 DMA - 技术栈

STM32的DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）是一种硬件模块，用于在外设与存储器之间或存储器与存储器之间直接传输数据，无需CPU干预，从而显著提升系统效率和实时性。

一、DMA 核心概念与工作原理

DMA的核心思想是将数据搬运任务从CPU中剥离。传统方式下，CPU需要亲自读取外设数据再写入内存，这会占用大量计算资源。而DMA控制器作为独立的硬件模块，在配置好后，能在外设产生请求时，直接通过系统总线完成数据的读取和写入，整个过程CPU可以处理其他任务。

一次完整的DMA传输包含三个基本操作：1）从源地址（外设寄存器或存储器）取数据；2）将数据存放到目标地址（存储器或外设寄存器）；3）递减传输数量计数器。只要传输计数器不为零且DMA通道已使能，传输就会持续进行。

二、STM32 DMA 的主要特性

多通道与控制器：STM32（如F1系列）通常有1到2个DMA控制器（DMA1和DMA2）。DMA1有7个通道，DMA2有5个通道，每个通道可连接到特定外设（如ADC、USART、SPI等）。
传输方向：支持外设到存储器、存储器到外设以及存储器到存储器（部分模式限制）三种方向。
可编程数据宽度：传输的数据单元可以是字节（8位）、半字（16位）或字（32位），源和目标的数据宽度可以独立设置。
地址递增模式：可以设置外设地址和存储器地址在每次传输后是否自动递增。通常，外设（如数据寄存器）地址固定，而存储器（如数组）地址需要递增以存放连续数据。
传输模式 ：
- 单次模式 (Normal)：传输指定数量的数据后停止，需要重新配置才能再次启动。
- 循环模式 (Circular)：传输完成后自动重装计数器，从初始地址开始新一轮传输，适用于ADC连续采样等场景。
优先级管理：每个通道的优先级可通过软件设置（非常高、高、中、低）。当多个通道同时请求时，先比较软件优先级；若相同，则通道编号小的拥有更高的硬件优先级。
中断与事件：每个通道可以产生三种事件标志：半传输完成、传输完成和传输错误。这些标志可以触发中断，方便CPU在传输关键节点进行处理。

三、DMA 配置关键结构体成员（以标准库为例）

配置DMA时，需要初始化一个结构体（DMA_InitTypeDef），其核心成员与功能如下：

结构体成员	功能描述	对应寄存器/常见设置
`DMA_PeripheralBaseAddr`	外设数据寄存器地址。例如，串口传输设为 `&USART1->DR`；ADC传输设为 `&ADC1->DR`。	DMA_CPARx
`DMA_Memory0BaseAddr`	存储器基地址，通常是自定义数组的首地址。	DMA_CMARx
`DMA_DIR`	传输方向：外设到存储器、存储器到外设等。	DMA_CCRx 的 DIR 位
`DMA_BufferSize`	要传输的数据数量。	DMA_CNDTRx
`DMA_PeripheralInc`	外设地址是否递增。通常设为 `Disable`（外设寄存器固定）。	DMA_CCRx 的 PINC 位
`DMA_MemoryInc`	存储器地址是否递增。通常设为 `Enable`（用于存储数据数组）。	DMA_CCRx 的 MINC 位
`DMA_PeripheralDataSize`	外设数据宽度：字节、半字或字。	DMA_CCRx 的 PSIZE 位
`DMA_MemoryDataSize`	存储器数据宽度：字节、半字或字。	DMA_CCRx 的 MSIZE 位
`DMA_Mode`	传输模式：单次模式 (`Normal`) 或循环模式 (`Circular`)。	DMA_CCRx 的 CIRC 位
`DMA_Priority`	通道优先级：低、中、高、非常高。	DMA_CCRx 的 PL 位
`DMA_M2M`	是否使能存储器到存储器模式。	DMA_CCRx 的 MEM2MEM 位

四、DMA 配置与使用的一般步骤

使能时钟：首先开启DMA控制器的时钟（通常在AHB总线上）。
初始化DMA通道：使用上述结构体参数配置DMA通道，包括地址、方向、数据量等。
使能外设的DMA功能：在对应外设（如ADC、USART）的配置中，开启其DMA请求输出。
配置中断（可选）：如果需要，使能DMA传输完成等中断，并配置NVIC。
使能DMA通道：最后启动DMA通道，使其等待外设请求或软件触发。
触发传输：对于外设触发模式（如ADC），启动外设即可；对于存储器到存储器模式，使能通道即开始传输。
查询状态或处理中断：通过查询标志位或在中段服务函数中，判断传输是否完成并进行后续处理。

五、典型应用示例：ADC 使用 DMA 搬运数据

这是一个非常常见的应用，用于高效地连续采集模拟信号。关键步骤如下：

初始化ADC ：配置ADC为定时器触发等连续转换模式，并关键一步 ：调用 ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE); 使能ADC的DMA输出。
初始化DMA ：以ADC1（对应DMA1通道1）为例进行配置。
- 源地址 (PeripheralBaseAddr)：(u32)(&ADC1->DR) (ADC数据寄存器地址)。
- 目标地址 (MemoryBaseAddr)：自定义数组（如 u16 adcValue[128]）的首地址。
- 方向：外设到存储器 (DMA_DIR_PeripheralSRC)。
- 存储器地址递增使能。
- 数据宽度：半字（16位，匹配ADC的12位结果）。
- 模式：循环模式 (Circular)，实现连续采集。
- 使能传输完成中断，以便在数组填满时进行处理。
启动：启动ADC转换，随后ADC每完成一次转换就会触发DMA请求，DMA自动将数据搬运到指定数组中。CPU只需在DMA传输完成中断中处理这批数据即可，期间完全自由。

六、DMA 与 CPU 的关系

在STM32的Cortex-M架构中，DMA和CPU通过总线矩阵共享系统总线。当DMA和CPU同时访问同一目标（如SRAM）时，总线仲裁器会协调访问，通常采用轮转调度以保证双方都能获得带宽，因此DMA的使用不会完全阻塞CPU，但可能会在总线争用时轻微影响CPU的访问速度。这与一些其他架构（如x86）不同，在STM32上合理使用DMA能显著降低CPU负载，提高系统整体性能。

总之，STM32的DMA是提升数据吞吐量和系统实时性的强大工具，熟练掌握其原理和配置方法对于开发高性能嵌入式应用至关重要。