DMA的原理

news2024/11/18 13:32:42

一、介绍

DMA（Direct Memory Access）是一种允许设备直接与内存进行数据交换的技术，无需‌CPU干预。DMA的主要功能是提供在‌外设和存储器之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。比如使用ADC进行数据采集，可以直接将数据存入存储器中，而无须CPU干预，节省了CPU的资源。

二、基本结构与原理

工作原理

‌初始化阶段‌：当系统启动时，DMA控制器会初始化并配置好相关寄存器，这些寄存器用于定义DMA传输的数据量、传输方向、传输速率等参数。
‌请求传输‌：外设准备好数据后，会向DMA控制器发送一个传输请求。
‌CPU响应请求‌：CPU收到DMA请求信号后，会让出总线控制权，允许DMA控制器接管总线控制权。
‌数据传输‌：DMA控制器从外设读取数据，并将其存储在内部缓冲区中，然后传输到系统内存中的目标地址。
‌传输完成‌：数据传输完成后，DMA控制器会释放总线控制权，并通知CPU。

下图为stm32中DMA的结构，两个DMA控制器有12个通道(DMA1有7个通道， DMA2有5个通道)，每个通道专门用来管理来自于一个或多个外设对存储器访问的请求。还有一个仲裁器来协调各个DMA请求的优先权。

上方的框图，我们可以看到STM32内核，存储器，外设及DMA的连接，这些硬件最终通过各种各样的线连接到总线矩阵中，硬件结构之间的数据转移都经过总线矩阵的协调，使各个外设和谐的使用总线来传输数据，

三、DMA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，主要涉及四种情况的数据传输，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）。四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
外设到外设

数据传输阶段：

‌源地址（Source Address）‌：指定数据传输的起始位置。
‌目标地址（Destination Address）‌：指定数据传输的目的位置。
‌数据长度（Data Length）‌：定义需要传输的数据大小。
‌控制信息（Control Information）‌：包括传输模式、中断使能等参数。

数据传输阶段‌：

外设发起传输请求。
DMA控制器暂停CPU访问，并通过请求信号获取总线控制权。
DMA控制器从外设读取数据，并存储在内部缓冲区。
数据从内部缓冲区传输到系统内存中的目标地址。
传输完成后，DMA控制器释放总线控制权，并通知CPU。

当用户将参数设置好，主要涉及源地址、目标地址、传输数据量这三个，DMA控制器就会启动数据传输，当剩余传输数据量为0时，达到传输终点，结束DMA传输。当然，DMA 还有循环传输模式，当到达传输终点时会重新启动DMA传输。也就是说只要剩余传输数据量不是0，而且DMA是启动状态，那么就会发生数据传输。

当CPU和DMA同时访问相同的目标(RAM或外设)时， DMA请求会暂停CPU访问系统总线达若干个周期，总线仲裁器执行循环调度，以保证CPU至少可以得到一半的系统总线(存储器或外设)带宽

四、源码实例

实现从外设的数据到存储器的转运，并显示在LED显示屏上

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

uint16_t MyDMA_Size;					//定义全局变量，用于记住Init函数的Size，供Transfer函数使用

/**
  * 函    数：DMA初始化
  * 参    数：AddrA 原数组的首地址
  * 参    数：AddrB 目的数组的首地址
  * 参    数：Size 转运的数据大小（转运次数）
  * 返 回 值：无
  */
void MyDMA_Init(uint32_t AddrA, uint32_t AddrB, uint16_t Size)
{
	MyDMA_Size = Size;					//将Size写入到全局变量，记住参数Size
	
	/*开启时钟*/
	RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);						//开启DMA的时钟
	
	/*DMA初始化*/
	DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;										//定义结构体变量
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = AddrA;						//外设基地址，给定形参AddrA
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;	//外设数据宽度，选择字节
	DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Enable;			//外设地址自增，选择使能
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = AddrB;							//存储器基地址，给定形参AddrB
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;			//存储器数据宽度，选择字节
	DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;					//存储器地址自增，选择使能
	DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;						//数据传输方向，选择由外设到存储器
	DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = Size;								//转运的数据大小（转运次数）
	DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;							//模式，选择正常模式
	DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Enable;								//存储器到存储器，选择使能
	DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium;					//优先级，选择中等
	DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);							//将结构体变量交给DMA_Init，配置DMA1的通道1
	
	/*DMA使能*/
	DMA_Cmd(DMA1_Channel1, DISABLE);	//这里先不给使能，初始化后不会立刻工作，等后续调用Transfer后，再开始
}

/**
  * 函    数：启动DMA数据转运
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void MyDMA_Transfer(void)
{
	DMA_Cmd(DMA1_Channel1, DISABLE);					//DMA失能，在写入传输计数器之前，需要DMA暂停工作
	DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel1, MyDMA_Size);	//写入传输计数器，指定将要转运的次数
	DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);						//DMA使能，开始工作
	
	while (DMA_GetFlagStatus(DMA1_FLAG_TC1) == RESET);	//等待DMA工作完成
	DMA_ClearFlag(DMA1_FLAG_TC1);						//清除工作完成标志位
}

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "MyDMA.h"

uint8_t DataA[] = {0x01, 0x02, 0x03, 0x04};				//定义测试数组DataA，为数据源
uint8_t DataB[] = {0, 0, 0, 0};							//定义测试数组DataB，为数据目的地

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();				//OLED初始化
	
	MyDMA_Init((uint32_t)DataA, (uint32_t)DataB, 4);	//DMA初始化，把源数组和目的数组的地址传入
	
	/*显示静态字符串*/
	OLED_ShowString(1, 1, "DataA");
	OLED_ShowString(3, 1, "DataB");
	
	/*显示数组的首地址*/
	OLED_ShowHexNum(1, 8, (uint32_t)DataA, 8);
	OLED_ShowHexNum(3, 8, (uint32_t)DataB, 8);
		
	while (1)
	{
		DataA[0] ++;		//变换测试数据
		DataA[1] ++;
		DataA[2] ++;
		DataA[3] ++;
		
		OLED_ShowHexNum(2, 1, DataA[0], 2);		//显示数组DataA
		OLED_ShowHexNum(2, 4, DataA[1], 2);
		OLED_ShowHexNum(2, 7, DataA[2], 2);
		OLED_ShowHexNum(2, 10, DataA[3], 2);
		OLED_ShowHexNum(4, 1, DataB[0], 2);		//显示数组DataB
		OLED_ShowHexNum(4, 4, DataB[1], 2);
		OLED_ShowHexNum(4, 7, DataB[2], 2);
		OLED_ShowHexNum(4, 10, DataB[3], 2);
		
		Delay_ms(1000);		//延时1s，观察转运前的现象
		
		MyDMA_Transfer();	//使用DMA转运数组，从DataA转运到DataB
		
		OLED_ShowHexNum(2, 1, DataA[0], 2);		//显示数组DataA
		OLED_ShowHexNum(2, 4, DataA[1], 2);
		OLED_ShowHexNum(2, 7, DataA[2], 2);
		OLED_ShowHexNum(2, 10, DataA[3], 2);
		OLED_ShowHexNum(4, 1, DataB[0], 2);		//显示数组DataB
		OLED_ShowHexNum(4, 4, DataB[1], 2);
		OLED_ShowHexNum(4, 7, DataB[2], 2);
		OLED_ShowHexNum(4, 10, DataB[3], 2);

		Delay_ms(1000);		//延时1s，观察转运后的现象
	}
}