STM32-15-DMA

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STM32-15-DMA

1. DMA与中断的区别

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问） 和中断是两种不同的机制，用于管理计算机系统中外围设备与处理器之间的数据传输和处理。

1. DMA

工作原理：

• 独立传输：DMA允许外设直接与系统内存交换数据，而不需要通过处理器（CPU）。当需要大量数据传输时，DMA控制器接管传输任务，释放CPU去执行其他任务。
• 传输过程：DMA传输数据时，CPU启动DMA传输，然后DMA控制器接管整个传输过程。传输完成后，DMA控制器通过中断通知CPU传输完成。

作用：

• 提高效率：DMA减少了CPU在数据传输过程中的参与，使得CPU能够执行其他任务，从而提高系统的整体效率。
• 减少延迟：由于DMA可以独立进行传输，因此数据传输的延迟更低，特别是在处理大块数据时。
• 应用场景：DMA广泛应用于音频、视频数据流、网络数据包的传输、存储设备的数据读写等场景。

对程序的影响：

• 复杂度增加：引入DMA需要对DMA控制器进行配置，可能增加程序的复杂性。
• 同步问题：在DMA传输过程中，程序需要处理好数据同步问题，避免数据不一致性问题。

2. 中断

工作原理：

• 中断触发：中断是外设通过中断信号通知CPU某个事件发生，如输入设备有新数据可读取，定时器到期等。
• 中断处理：CPU响应中断后，暂停当前任务，跳转到相应的中断处理程序（ISR）执行。当中断处理程序执行完毕后，CPU恢复先前任务的执行。

作用：

• 实时响应：中断机制使CPU能够实时响应外设事件，保证系统对外部事件的快速反应。
• 事件驱动：中断使得程序可以基于事件驱动，而不是定期轮询外设状态，从而节省CPU资源。
• 应用场景：键盘输入、鼠标移动、网络数据包到达、定时器事件等。

对程序的影响：

• 中断处理程序设计：中断处理程序需要尽可能简短、快速，避免长时间占用CPU。
• 中断优先级管理：系统中可能有多个中断源，需要合理设计中断优先级，以确保关键中断能够及时响应。
• 上下文切换开销：中断会引起上下文切换，带来一定的性能开销。

总结

• DMA：适用于大量数据传输，降低CPU负载，提高系统效率。
• 中断：适用于实时事件响应，保证系统对外部事件的快速处理。

两者结合使用，可以构建高效、实时的嵌入式系统。例如，DMA用于大数据块的传输，而中断用于触发DMA传输和处理传输完成事件。

2. DMA介绍

• DMA： 即直接存储器访问。DMA传输方式无需CPU直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为RAM与I/O设备开辟一条直接传送数据的通路，能使CPU的效率大为提高。
• STM32F103内部有2个DMA控制器，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。
• 特性：
  • 每个通道都直接连接专用的硬件DMA请求，每个通道都支持软件触发。这些功能通过软件来配置。
  • 在七个请求间的优先权可以通过软件编程设置，当软件相同时，由硬件决定。
  • 独立的源和目标数据区的传输宽度，模拟打包和拆包的过程。源和目标地址必须按数据传输宽度对齐。
  • 支持循环的缓冲器管理。
  • 每个通道都有3个事件标志，这3个事件标志逻辑或成为一个单独的中断请求。
  • 存储器和存储器间的传输。
  • 外设和存储器，存储器和外设的传输。
  • 闪存、SRAM、外设的SRAM、APB1、APB2和AHB外设均可作为访问的源和目标。
  • 可编程的数据传输数目最大为65535。

3. DMA结构框图

1. DMA框图

• ①DMA请求

  如果外设想要通过DMA来传输数据，必须先给DMA控制器发送DMA请求，DMA收到请求信号之后，控制器会给外设一个应答信号，当外设应答后且DMA控制器收到应答信号之后，就会启动DMA的传输，直到传输完毕。

• ②DMA通道

  DMA具有12个独立可编程的通道，其中DMA1有7个通道，DMA2有5个通道，每个通道对应不同的外设的DMA请求。虽然每个通道可以接收多个外设的请求，但是同一时间只能接收一个，不能同时接收多个。

• ③DMA优先级

  当发生多个DMA通道请求时，就意味着有先后响应处理的顺序问题，这个就由仲裁器管理。仲裁器管理DMA通道请求分为两个阶段。第一阶段属于软件阶段，可以在DMA_CCRx寄存器中设置，有4个等级：非常高，高，中和低四个优先级。第二阶段属于硬件阶段，如果两个或以上的DMA通道请求设置的优先级一样，则他们优先级取决于通道编号，编号越低优先权越高，比如通道0高于通道1。在大容量产品和互联型产品中，DMA1控制器拥有高于DMA2控制器的优先级。

2. DMA处理过程

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种允许外设直接与系统内存进行数据传输的机制，不需要CPU的直接干预。以下是DMA处理过程的详细描述：

DMA处理过程

1. 配置DMA控制器：
   • 源地址：设置数据传输的源地址（可以是外设寄存器地址或内存地址）。
   • 目标地址：设置数据传输的目标地址（可以是外设寄存器地址或内存地址）。
   • 传输方向：指定数据传输的方向，是从外设到内存，还是从内存到外设。
   • 数据长度：设置需要传输的数据长度（字节数）。
   • 传输模式：选择传输模式，可以是单次传输、块传输或连续传输模式。
2. 启动DMA传输：
   • 触发传输：在配置完成后，通过设置DMA控制器的启动位，开始数据传输。
   • 数据搬运：DMA控制器接管数据传输任务，将数据从源地址搬运到目标地址。这个过程中，DMA控制器直接与内存控制器和外设总线进行交互，不需要CPU干预。
3. 中断通知：
   • 传输完成中断：数据传输完成后，DMA控制器产生中断信号，通知CPU传输已经完成。CPU执行相应的中断服务程序（ISR）处理后续任务。
   • 错误处理：如果在传输过程中发生错误（如总线错误），DMA控制器也会产生中断，通知CPU进行错误处理。

3. DMA通道

DMA1通道与外设的对应关系

DMA2通道与外设的对应关系

4. DMA相关寄存器

• DMA通道x配置寄存器（DMA_CCRx）
  

• DMA中断状态寄存器（DMA_ISR）
  

• DMA 中断标志清除寄存器（DMA_IFCR）
  

• DMA通道x传输数量寄存器（DMA_CNDTRx)
  

  该寄存器控制着DMA通道x的每次传输所要传输的数据量。其设置范围为0~65535。并且该寄存器的值随着传输的进行而减少，当该寄存器的值为0的时候就代表此次数据传输己经全部发送完成。可以通过这个寄存器的值来获取当前DMA传输的进度。

• DMA通道x外设地址寄存器（DMA_CPARx）
  

  用来存储 STM32 外设的地址。

• DMA通道x存储器地址寄存器（DMA_CMARx）
  

  用来存放存储器的地址。

5. DMA相关HAL库驱动

1. 使能DMA时钟

   __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
   

2. 初始化DMA

   HAL_StatusTypeDef HAL_DMA_Init(DMA_HandleTypeDef *hdma);
   
   typedef struct
   { 
    uint32_t Direction; /* 传输方向，例如存储器到外设 DMA_MEMORY_TO_PERIPH */
    uint32_t PeriphInc; /* 外设（非）增量模式，非增量模式 DMA_PINC_DISABLE */ 
    uint32_t MemInc; /* 存储器（非）增量模式，增量模式 DMA_MINC_ENABLE */ 
    uint32_t PeriphDataAlignment; /* 外设数据大小：8/16/32 位 */
    uint32_t MemDataAlignment; /* 存储器数据大小：8/16/32 位 */
    uint32_t Mode; /* 模式：循环模式/普通模式 */ 
    uint32_t Priority; /* DMA 优先级：低/中/高/非常高 */
   }DMA_InitTypeDef;
   
   __HAL_LINKDMA(&g_uart1_handler, hdmatx, g_dma_handle);
   

3. 使能串口的DMA发送，启动传输

   HAL_UART_Transmit_DMA()
       
   HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAStop(UART_HandleTypeDef *huart); /* 停止 */
   HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAPause(UART_HandleTypeDef *huart); /* 暂停 */
   HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAResume(UART_HandleTypeDef *huart); /* 恢复 */
   

4. 查询DMA传输状态

   //查询DMA传输通道的状态
   __HAL_DMA_GET_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC4);
   
   //获取当前传输剩余数据量
   __HAL_DMA_GET_COUNTER(&g_dma_handle);
   
   //设置对应的DMA数据流传输的数据量大小
   __HAL_DMA_SET_COUNTER (&g_dma_handle, 1000);
   

5. DMA中断使用

   //通用中断处理函数
   void HAL_DMA_IRQHandler();
   
   //相关中断回调函数
   //发送完成回调函数
   void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
   //发送一半回调函数
   void HAL_UART_TxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
   //接收完成回调函数
   void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
   //接收一半回调函数
   void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
   //传输出错回调函数
   void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
   

6. 代码实现

• 功能

  每按下按键KEY0,串口1就会以DMA方式发送数据，同时在LCD上面显示传送进度。打开串口调试助手，可以收到DMA发送的内容。LED0闪烁用于提示程序正在运行。

• DMA初始化函数

  void dma_init(DMA_Channel_TypeDef* DMAx_CHx)
  {
      if((uint32_t)DMAx_CHx > (uint32_t)DMA1_Channel7)
      {
          __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();
      }
      else
      {
          __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();
      }
      
      //将DMA与USART1连接起来
      __HAL_LINKDMA(&g_uart1_handle, hdmatx, g_dma_handle); 
      
      
      g_dma_handle.Instance = DMAx_CHx;                   //USART1_TX使用的DMA通道为DMA_Channel4
      g_dma_handle.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH; //模式选择为从存储器到外设
      g_dma_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;     //外设非增量模式
      g_dma_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;         //存储器增量模式
      g_dma_handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; //外设数据长度为8位
      g_dma_handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;    //存储器数据长度为8位
      g_dma_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM;            //中等优先级
      
      HAL_DMA_Init(&g_dma_handle);
  }
  

• 主函数

  int main(void)
  {
      uint16_t i, k;
      uint16_t len;
      uint8_t  mask = 0;
      float pro = 0;          /* 进度 */
  
      HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
      sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 设置时钟, 72Mhz */
      delay_init(72);                     /* 延时初始化 */
      usart_init(115200);                 /* 串口初始化为115200 */
      led_init();                         /* 初始化LED */
      lcd_init();                         /* 初始化LCD */
      key_init();                         /* 初始化按键 */
      dma_init(DMA1_Channel4);            /* 初始化串口1 TX DMA */
  
      lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
      lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "DMA TEST", RED);
      lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
      lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "KEY0:Start", RED);
  
      len = sizeof(TEXT_TO_SEND);
      k = 0;
      
      for (i = 0; i < SEND_BUF_SIZE; i++) /* 填充ASCII字符集数据 */
      {
          if (k >= len)   /* 入换行符 */
          {
              if (mask)
              {
                  g_sendbuf[i] = 0x0a;
                  k = 0;
              }
              else
              {
                  g_sendbuf[i] = 0x0d;
                  mask++;
              }
          }
          else     /* 复制TEXT_TO_SEND语句 */
          {
              mask = 0;
              g_sendbuf[i] = TEXT_TO_SEND[k];
              k++;
          }
      }
   
      i = 0;
  
      while (1)
      {
          if (key_scan(0) == 1)       /* KEY0按下 */
          {
              printf("\r\nDMA DATA:\r\n");
              lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Start Transimit....", BLUE);
              lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "   %", BLUE);    /* 显示百分号 */
  
              HAL_UART_Transmit_DMA(&g_uart1_handle, g_sendbuf, SEND_BUF_SIZE);
              /* 等待DMA传输完成，此时我们来做另外一些事情，比如点灯  
               * 实际应用中，传输数据期间，可以执行另外的任务 
               */
              while (1)
              {
                  if ( __HAL_DMA_GET_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC4))   /* 等待 DMA1_Channel4 传输完成 */
                  {
                      __HAL_DMA_CLEAR_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC4);
                      HAL_UART_DMAStop(&g_uart1_handle);                  /* 传输完成以后关闭串口DMA */
                      break;
                  }
  
                  pro = DMA1_Channel4->CNDTR; /* 得到当前还剩余多少个数据 */
                  len = SEND_BUF_SIZE;        /* 总长度 */
                  pro = 1 - (pro / len);      /* 得到百分比 */
                  pro *= 100;                 /* 扩大100倍 */
                  lcd_show_num(30, 150, pro, 3, 16, BLUE);
              } 
              lcd_show_num(30, 150, 100, 3, 16, BLUE);    /* 显示100% */
              lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Transimit Finished!", BLUE); /* 提示传送完成 */
          }
  
          i++;
          delay_ms(10);
  
          if (i == 20)
          {
              LED0_TOGGLE();  /* LED0闪烁,提示系统正在运行 */
              i = 0;
          }
      }
  }
  

• 实验结果

  通过LCD屏可以看到数据传输的百分比，通过串口助手可以看到传输的数据
  

声明：资料来源（战舰STM32F103ZET6开发板资源包）

1. Cortex-M3权威指南(中文).pdf
2. STM32F10xxx参考手册_V10（中文版）.pdf
3. STM32F103 战舰开发指南V1.3.pdf
4. STM32F103ZET6（中文版）.pdf
5. 战舰V4 硬件参考手册_V1.0.pdf