【物联网】DMA传输原理与实现详解（超详细）

news2025/1/16 4:00:28

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。
在这里插入图片描述

文章目录

    • Part 1: DMA的工作原理
      • 配置阶段：
      • 数据传输阶段：
    • Part 2: DMA数据组成
    • Part 3: DMA传输过程的实现
    • Part 4: DMA中断处理和性能优化
      • DMA中断处理：
      • DMA性能优化：
    • Part 5: STM32实现DMA
      • 基于标准库
      • 基于HAL库

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：

在这里插入图片描述

  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。
在这里插入图片描述

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。
// 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。
// 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。
// 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。
// 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。
// 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：

#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：

#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。

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