DMA —— 让 CPU “偷懒”的数据搬运工

1. 为什么需要 DMA？

想象一下：你有一个串口每 100μs 收到一个字节，需要用 CPU 把这个字节从串口数据寄存器搬到内存的缓冲区里。

没有 DMA 时：每次接收完成，串口中断触发 → CPU 读数据 → 存到数组 → 退出中断。如果数据速率很高（比如 2Mbps），CPU 大部分时间都在"搬砖"，根本没空做其他任务。
有 DMA 时 ：配置 DMA 通道自动把串口数据搬运到内存，完全不需要 CPU 插手，只在搬完一整个数据块后才产生一次中断通知 CPU。

DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问） 就是这样一个"硬件搬运工"：它可以在 不占用 CPU 的情况下，在内存与外设、内存与内存之间快速传输数据。

2. DMA 的核心工作原理

DMA 控制器本身是一个精简的"小 CPU"，它有：

源地址：从哪读数据（可以是外设数据寄存器，也可以是内存数组）。
目标地址：写到哪去。
传输计数器：还要传多少字节。
传输模式：单次、循环、增量/固定地址等。

基本流程：

CPU 配置 DMA 通道（源地址、目标地址、数据长度、触发源等）。
使能 DMA。
当触发事件发生（比如串口收到一个字节），DMA 自动执行一次搬运：读源地址 → 写目标地址 → 计数器减 1。
计数器减到 0 时，DMA 产生传输完成中断（可选），通知 CPU 处理。

3. 在 STM32 中的应用场景

场景	作用	效果
串口（UART）接收	DMA 将串口数据自动存入环形缓冲区	CPU 只在收到一帧完整数据时才处理
ADC 多通道扫描	DMA 将 ADC 结果连续存入数组	可实现高频采样（几十 kHz）而 CPU 几乎零负担
I2C/SPI 通信	DMA 自动发送/接收数据块	配合 RTOS，通信任务可以阻塞直到 DMA 完成
内存拷贝	两个内存区域之间高速拷贝	比 `memcpy` 快，且不占用 CPU
定时器 PWM 更新	用 DMA 自动修改多个 CCR 值	实现复杂的 LED 呼吸灯模式或波形输出

4. 关键概念：循环模式 vs 普通模式

普通模式：传输计数器减到 0 后停止，需要 CPU 重新配置才能再次启动。适合固定长度的数据块（比如发送一个 512 字节的传感器数据包）。
循环模式 ：计数器减到 0 后自动重装初始值，继续从头搬运。适合环形缓冲区（比如连续 ADC 采样）。STM32 的 DMA 循环模式需要配合 FIFO 或 双缓冲区 来防止数据覆盖。

5. 双缓冲区（Double Buffer）技巧

某些 STM32 的 DMA 支持双缓冲区（如 DMA2）。两个缓冲区交替使用：

当 DMA 正在填充缓冲区 0 时，CPU 可以处理缓冲区 1。
缓冲区满后，DMA 自动切换目标到另一个缓冲区，并触发中断通知 CPU 处理已满的那个。

这是实现 无锁、零拷贝 高吞吐数据流的标准方案。

6. 使用 DMA 的注意事项

数据一致性 ：如果 DMA 和 CPU 同时访问同一块内存，必须用 __DSB() 屏障或关中断保护，防止 CPU 读到缓存中的旧数据（尤其在 Cortex-M7 带数据缓存时）。
对齐要求：某些 DMA 传输要求源/目标地址按字（4 字节）对齐，否则可能出错或降低效率。
通道冲突：多个外设可能共享同一个 DMA 通道（如 USART1_TX 和 SPI1_RX），需要合理分配优先级和仲裁。
中断优先级：DMA 传输完成中断通常设较低优先级，避免影响实时任务。
调试困难：DMA 在后台"偷偷"搬运，一旦配置错（如地址写反），现象很诡异（数据全零或错乱），需要仔细检查。

7. 代码示例（STM32 HAL）

c 复制代码

// 配置 ADC1 用 DMA 连续采样 100 个值到数组
#define ADC_BUFFER_SIZE 100
uint32_t adc_buffer[ADC_BUFFER_SIZE];

ADC_HandleTypeDef hadc1;
DMA_HandleTypeDef hdma_adc1;

void ADC_DMA_Init(void) {
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

    // 配置 DMA 通道
    hdma_adc1.Instance = DMA1_Channel1;
    hdma_adc1.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
    hdma_adc1.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;   // 外设地址固定（ADC_DR）
    hdma_adc1.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;       // 内存地址递增
    hdma_adc1.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;
    hdma_adc1.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;
    hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;            // 循环模式
    hdma_adc1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
    HAL_DMA_Init(&hdma_adc1);

    __HAL_LINKDMA(&hadc1, DMA_Handle, hdma_adc1);

    // 启动 ADC 并开始 DMA 传输
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, adc_buffer, ADC_BUFFER_SIZE);
}

之后，adc_buffer 中的值会不断被更新，CPU 可以在主循环中读取最新数据，完全无感知。

总结

DMA 是嵌入式系统实现 高吞吐、低 CPU 负载 的关键技术。学会 DMA，你的程序就能从"忙得团团转"变成"悠然自得"。