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      技術資料

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      什么是DMA? STM32如何配置DMA?

      發布時間: 01-28 11:09文章來源:深圳市芯易芯科技有限公司

      [導讀]DMA簡介 DMA(Direct Memory Access:直接內存存取)是一種可以大大減輕CPU工作量的數據轉移方式。





      一、DMA簡介

      1、DMA簡介
      DMA(Direct Memory Access:直接內存存取)是一種可以大大減輕CPU工作量的數據轉移方式。
       CPU有轉移數據、計算、控制程序轉移等很多功能,但其實轉移數據(尤其是轉移大量數據)是 可以不需要CPU參與 。比如希望外設A的數據拷貝到外設B,只要給兩種外設提供一條數據通路,再加上一些控制轉移的部件就可以完成數據的拷貝。 DMA就是基于以上設想設計的,它的作用就是解決大量數據轉移過度消耗CPU資源的問題。有了DMA使CPU更專注于更加實用的操作--計算、控制等。

      2、DMA的工作原理 DMA的作用就是實現數據的直接傳輸,而去掉了傳統數據傳輸需要CPU寄存器參與的環節 ,主要涉及四種情況的數據傳輸,但本質上是一樣的,都是從內存的某一區域傳輸到內存的另一區域(外設的數據寄存器本質上就是內存的一個存儲單元)。四種情況的數據傳輸如下:


      • 外設到內存

      • 內存到外設

      • 內存到內存

      • 外設到外設 當用戶將參數設置好,主要涉及 源地址 、 目標地址 、 傳輸數據量 這三個,DMA控制器就會啟動數據傳輸,傳輸的終點就是剩余傳輸數據量為0(循環傳輸不是這樣的)。換句話說只要剩余傳輸數據量不是0,而且DMA是啟動狀態,那么就會發生數據傳輸。


      3、DMA是否影響CPU的運行
      在X86架構系統中,當DMA運作時(假設我們從磁盤拷貝一個文件到U盤),DMA實際上會占用系統總線周期中的一部分時間。也就是說,在DMA未開啟前,系統總線可能完全被CPU使用;當DMA開啟后,系統總線要為DMA分配一定的時間,以保證DMA和CPU同時運作。那么顯然,DMA會降低CPU的運行速度。
       在STM32控制器中,芯片采用Cortex-M3架構,總線結構有了很大的優化,DMA占用另外的總線,并不會與CPU的系統總線發生沖突。也就是說,DMA的使用不會影響CPU的運行速度。

      二、STM32的DMA結構

      1、DMA的主要特性
      ● 12個 獨立的可配置的通道(請求)DMA1有7個通道,DMA2 有5個通道
      ● 每個通道都直接連接專用的硬件DMA請求,每個通道都同樣支持軟件觸發。這些功能通過
      軟件來配置。
      ● 在七個請求間的優先權可以通過軟件編程設置(共有四級:很高、高、中等和低),假如在相
      等優先權時由硬件決定(請求0優先于請求1,依此類推) 。
      ● 獨立的源和目標數據區的傳輸寬度(字節、半字、全字),模擬打包和拆包的過程。源和目標
      地址必須按數據傳輸寬度對齊。
      ● 支持循環的緩沖器管理
      ● 每個通道都有3個事件標志(DMA 半傳輸,DMA傳輸完成和DMA傳輸出錯),這3個事件標志邏輯或成為一個單獨的中斷請求。
      ● 存儲器和存儲器間的傳輸
      ● 外設和存儲器,存儲器和外設的傳輸
      ● 閃存、SRAM 、外設的SRAM 、APB1 APB2和AHB外設均可作為訪問的源和目標。
      ● 可編程的數據傳輸數目:最大為65536
       下面為功能框圖:

      2、兩個DMA控制器結構 ① DMA1 controller

      ② DMA2 controller

      3、DMA寄存器列表

      ① 中斷類
      DMA_ISR:  DMA中斷狀態寄存器
       DMA_IFCR:  DMA中斷標志位清除寄存器 說明:DMA1、DMA2分別有一組寄存器。

      ② 控制傳輸類
      DMA_CCRx:   DMA通道x配置寄存器 
      DMA_CNDTRx:  DMA通道x數據數量寄存器 DMA_CPARx:   DMA通道x外設地址寄存器 DMA_CMARx:  DMA通道x內存地址寄存器 說明:


      • 每一個通道都有一組寄存器。

      • DMA_CPARx、DMA_CMARx是沒有差別的,它們都可以存放外設的地址、內存的地址。DMA_CPARx、DMA_CMARx只不過起得名字有差別而已。


      4、STM32的DMA工作特點

      ① DMA進行數據傳輸的必要條件
      剩余傳輸數據量大于0,DMA通道傳輸使能通道上DMA數據傳輸有事件請求前兩者都好理解,對于第三點確實需要詳細的解釋,請看下邊的三條。

      ② 外設到XX方向的傳輸
      假設是ADC到存儲器的數據傳輸,顯然ADC的DMA傳輸的源地址是ADC的數據寄存器。并不是說只要DMA通道傳輸使能后,就立即進行數據傳輸。只有當一次ADC轉化完成,ADC的DMA通道的傳輸事件有效,DMA才會從ADC的數據寄存器讀出數據,寫入目的地址。當DMA在讀取ADC的數據寄存器時,同時使ADC的DMA通道傳輸事件無效。顯然,要等到下一次ADC轉換完成后,才能啟動再一次的數據傳輸。

      ③存儲器對XX的DMA傳輸
      因為數據是準備好的,不像ADC還需要等待數據到位。所以,不需要對應通道的事件。只要使能DMA數據傳輸就一直傳輸,直到達到設定的傳輸量。

      example: 1.內存到內存, DMA傳輸請求一直有效 2.內存到串口, DMA傳輸請求一直有效 一種解釋: 存儲器對存儲器的置位,就相當于相應通道的事件有效。對應通道的事件有效和存儲器對存儲器的置位,就是傳輸的觸發位。每次傳輸的事件置位一次,完成一次傳輸。如果是由外設引發的DMA傳輸,則傳輸完成后,相應傳輸事件會置為無效,而存儲器對存儲器的傳輸,則一次傳輸完成后,相應事件一直有效,直至完成設定的傳輸量。

      ④外設以DMA方式工作時,能否再以軟件方式進行操作? 有一點是肯定的,當外設以DMA方式正在數據傳輸時,不可能再相應CPU的軟件控制命令,否則這不符合邏輯。 但是,倘若外設僅僅配置成DMA工作方式,但是DMA請求并未產生,數據傳輸并沒有進行。此時,軟件控制命令仍然能夠對外設進行控制。這是筆者在串口以DMA方式發送數據情形下,所得到的測試結論。

      三、STM32的DMA軟件編程

      1、“內存到內存”模式傳輸

      ① 初始化配置

          uint8_t SendBuff[SENDBUFF_SIZE]; uint8_t ReceiveBuff[RXBUFF_SIZE]; /**
        * @brief  USART1 TX DMA 配置,內存到內存
        * @param  無
        * @retval 無
        */ void DMA_Mem2Mem_Config(void) {
              DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure; /*開啟DMA時鐘*/ RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE); /*設置DMA源地址*/ DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)SendBuff; /*設置DMA目的地址*/ DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr =  (uint32_t)ReceiveBuff; /*方向:從內存SendBuff到內存ReceiveBuff*/ DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST; /*傳輸大小DMA_BufferSize=SENDBUFF_SIZE*/ DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = SENDBUFF_SIZE; /*ReceiveBuff地址自增*/ DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Enable; /*SENDBUFF_SIZE地址自增*/ DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; /*ReceiveBuff數據單位*/ DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; /*SENDBUFF_SIZE數據單位*/ DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte; /*DMA模式:正常模式*/ DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal ; /*優先級:中*/ DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_Medium; /*使能內存到內存的傳輸    */ DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Enable; /*配置DMA1的4通道*/ DMA_Init(DMA1_Channel4, &DMA_InitStructure); /*失能DMA1的4通道,一旦使能就開始傳輸*/ DMA_Cmd (DMA1_Channel4,DISABLE); 
      }

      ② DMA中斷配置

          /**
        * @brief DMA 中斷配置
        * @param 無
        * @retval 無
        */ void DMA_NVIC_Configuration(void) {                                                                      
          NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; /* 配置中斷源 */ NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel4_IRQn;
          NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
          NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
          NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
          NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); /* 配置DMA發送完成后產生中斷 */ DMA_ITConfig(DMA1_Channel4,DMA_IT_TC,ENABLE);
      }

      ③啟動傳輸
      DMA_Cmd (DMA1_Channel4,ENABLE);
      2、利用DMA實現循環傳輸

      方法1:單次傳輸模式 當傳輸結束時,觸發DMA中斷,在中斷程序中首先失能DMA通道,然后修改該通道的傳輸數據量。最后重新使能DMA通道,注意只有失能的DMA通道才能成功修改傳輸數據量。

      方法2:循環傳輸模式 當傳輸結束時,硬件自動會將傳輸數據量寄存器進行重裝,進行下一輪的數據傳輸。

      四、再談STM32的DMA傳輸是否影響CPU的運行速度

      聲明:經過筆者測試,當DMA工作在內存到外設的傳輸和內存到內存的傳輸時,都不會影響CPU的運行速度。為了給這種現象一個合理的解釋,筆者做以下猜測:

      1、S3C2440的DMA傳輸
      S3C2440的SDRAM是外置的,并且SDRAM的數據線、地址線、控制線總共只有一組。假設DMA傳輸的方向是內存到外設,當DMA運作時,需要占用SDRAM的三類線才才能實現傳輸;而與此同時CPU也需要通過這三類線來訪問SDRAM來讀取程序、讀寫數據。
       顯然,DMA的運行與CPU的運行有交叉點,DMA就會影響到CPU的運行。

      2、STM32的DMA傳輸
      STM32與S3C2440的區別是很大的,S3C2440是微處理器,RAM外置且空間很大;STM32是微控制器,RAM片內集成且空間較小。此時,ST公司就有可能提升DMA的運作效率,使DMA的工作不影響到CPU的運行。
       外設與外設之間的DMA傳輸,因為與CPU的運行沒有交叉點(CPU的數據流注意是在Flash、內存、寄存器中傳輸),所以不會影響CPU的運行速度。唯一有可能影響的是外設與內存或者內存與內存之間的DMA傳輸。 倘若ST公司的SRAM是一個雙口RAM,也就是同時可以由兩組接口對RAM進行訪問,就可以很好的解決速度影響問題。倘若CPU恒定占有一組接口,而另一組接口留給DMA控制器。那么當外設與內存或者內存與內存之間的DMA傳輸時,由于不與CPU的訪問SRAM接口沖突,所以可以解決速度影響問題。 但其實偶爾還是會影響的,當CPU訪問SRAM的空間和DMA訪問SRAM的空間相同時,SRAM勢必會對這種情況進行仲裁,這可能會影響到CPU的訪問SRAM的速度。其實,這種情況的概率也是很小的,所以即使影響CPU的運行速度,也不會很大。



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