STM32 DMA 一文章懂

让硬件干活，别让CPU搬砖：STM32 DMA实战全解析

你有没有遇到过这样的场景？

• ADC每毫秒采一次数据，主循环卡得像老式收音机；
• UART发个日志都要调用 HAL_UART_Transmit() 阻塞几百微秒；
• 想做音频播放，结果PCM数据根本喂不饱I2S接口；
• 系统一跑起来，CPU占用率直接飙到90%以上……

这时候，很多人第一反应是：“换颗更快的芯片？”
但其实，问题不在性能不够强，而在 资源分配不合理 。

真正高效的嵌入式系统，不是靠“暴力堆算力”，而是懂得 让每个模块各司其职 。而今天我们要聊的这个“隐形英雄”——DMA（Direct Memory Access），正是实现这一理念的关键钥匙。

🧩 “CPU负责思考，DMA负责跑腿。”
—— 这句话听起来简单，但它背后藏着现代MCU高效运行的核心逻辑。

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为什么你需要关心DMA？

先来看一组真实对比：

场景	CPU轮询方式	使用DMA
每1ms采集4通道ADC	每秒触发1000次中断，每次执行读取+存储指令	初始化后零干预，仅每100个样本进一次中断
发送1KB串口数据包	HAL_UART_Transmit() 阻塞约8ms（115200bps）	调用即返回，CPU立刻继续工作
音频I2S播放	必须在每个时钟周期由中断喂数据	启动DMA后自动持续输出

看到差别了吗？
使用DMA后， 同样的功能，CPU从“搬运工”变成了“管理者” 。它不再亲自参与每一个字节的传输，而是说一句：“你们去干吧，干完了叫我。”

这不只是省了几条代码的事，而是从根本上改变了系统的架构和响应能力。

那么，DMA到底是什么？

你可以把它想象成一个 独立的小型搬运机器人 ，内置于STM32芯片中。它的任务很简单：
👉 在两个地址之间搬数据，搬完就报告，中间完全不需要你盯着。

而且这家伙还不挑活：
- 外设 → 内存 ✅（比如ADC采样存RAM）
- 内存 → 外设 ✅（比如发送字符串到USART）
- 内存 → 内存 ✅（比如复制大块Flash数据到SRAM）

只要总线允许，它就能上场。

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STM32里的DMA长什么样？

STM32不是只给了你一个DMA控制器，而是配了一整套“物流系统”。

以常见的STM32F4系列为例：
- 有两个DMA控制器：DMA1 和 DMA2
- 每个控制器有多个通道（Channel），总共最多7+7=14条
- 每个通道可以绑定不同的外设请求信号（如ADC1、SPI3_TX等）
- 支持优先级调度、双缓冲、循环模式、FIFO……简直是为高吞吐量设计的“高速公路”

更高端的H7系列甚至还有 BDMA （Backup Domain DMA）和 MDMA （Memory-to-Memory DMA），支持跨域访问和更复杂的链式传输。

但这不是重点。
重点是你得知道： DMA不是一个“可选项”，而是构建高性能系统的“基础设施” 。

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它是怎么工作的？拆开看看

我们拿最常见的 ADC + DMA 数据采集 来举例。

假设你现在要做一个环境监测设备，需要每10ms采集一次温湿度、光照、噪声四个传感器的数据。

传统做法可能是这样：

while (1) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);
    value1 = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

    HAL_ADC_Start(&hadc2); // 假设多路
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2, 10);
    value2 = HAL_ADC_GetValue(&hadc2);

    process_data(value1, value2); // 处理数据
    HAL_Delay(10);                // 等待下一个周期
}

这段代码的问题在哪？
- 占用CPU时间太长
- HAL_Delay() 期间什么都不能干
- 如果加上通信、显示等功能，整个系统会变得非常卡顿

现在换成DMA思路：

🧠 思路转变：
我不再“主动去拿数据”，而是告诉ADC：“你每完成一次转换，就把结果扔进内存里，等攒够了叫我。”

具体流程如下：

1. 配置阶段 （一次性设置好）
   - 指定源地址：ADC的数据寄存器（固定不变）
   - 目标地址：RAM中的缓冲区（例如 uint16_t buffer[4] ）
   - 方向：外设 → 内存
   - 数据宽度：半字（16位）
   - 传输数量：4（对应4个通道）
   - 模式：循环模式（Circular Mode）→ 自动重复采集

2. 启动后 ：
   - 只需开启一次ADC，之后所有转换都由硬件自动触发
   - 每次转换完成 → ADC发出DMA请求 → DMA自动把值写入buffer
   - 当4个通道全部采完 → 触发DMA传输完成中断

3. CPU只需在中断里处理 ：
   c void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc) { if (hadc == &hadc1) { // 此时buffer已更新，可进行滤波/上传等操作 analyze_sensor_data(adc_buffer); } }

整个过程中，CPU除了初始化和最后处理外，全程“脱手”。

💡 实际效果：
原本每秒要被打断1000次的任务，现在可能每秒只中断10次（每次处理100个样本）， CPU负载下降90%以上 ！

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关键特性详解：这些功能你真的会用吗？

🔁 循环模式（Circular Mode）——无限续航的秘密

当你启用 DMA_CIRCULAR 模式时，DMA会在缓冲区填满后自动重置指针，重新开始填充。

这对于周期性采集简直是神器。

举个例子：

uint16_t adc_buffer[100]; // 缓冲100个样本

hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
HAL_DMA_Init(&hdma_adc1);
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, 100);

这意味着：
- 不用手动重启DMA
- 数据流源源不断
- 可结合双缓冲或定时中断做滑动窗口分析

⚠️ 注意：不要在循环模式下使用局部变量作为缓冲区！栈空间可能被覆盖。

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🔄 双缓冲模式（Double Buffer Mode）——无缝衔接的艺术

有些应用对数据连续性要求极高，比如音频录制、高速示波器。

这时普通的单缓冲会有“空窗期”：当CPU正在处理当前缓冲时，新的数据仍在不断产生，稍有不慎就会丢失。

解决方案？双缓冲！

开启双缓冲后，DMA会在两个内存区域之间交替写入：

Buffer A ← 写入中
         ↓
       切换
         ↑
Buffer B ← 已完成，供CPU读取

每当一个缓冲写满，DMA自动切换到另一个，并触发中断通知CPU处理旧缓冲。

在HAL库中启用方式如下：

hdma_adc1.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
hdma_adc1.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_ENABLE;
hdma_adc1.Init.MemBurst = DMA_MBURST_SINGLE;
// 注意：需手动使能双缓冲寄存器位（部分型号需底层操作）

或者使用LL库直接配置：

LL_DMA_EnableDoubleBufferMode(DMA2, LL_DMA_STREAM_0);
LL_DMA_SetMemory1BaseAddr(DMA2, LL_DMA_STREAM_0, (uint32_t)&adc_buffer2);

这样一来，你就实现了真正的“一边采样，一边处理”，完全没有停顿。

🎧 典型应用：I2S麦克风录音、软件定义无线电（SDR）、电机电流闭环控制。

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⚖️ 优先级管理——谁先谁后很重要

多个DMA通道同时请求怎么办？比如ADC在传数据，同时SPI也在往外发图像。

这时候就得靠 优先级仲裁机制 。

STM32的DMA通道支持四级优先级：
- 非常低（Very Low）
- 低（Low）
- 中（Medium）
- 高（High）

配置也很简单：

hdma_usart1_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
hdma_adc1.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM;

规则是：
- 软件优先级高的先服务
- 同级则按通道号顺序（编号小的优先）

所以在设计系统时就要想清楚：
👉 是语音通信更重要？还是传感器采样不能丢？

合理分配优先级，才能避免关键数据被挤占。

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📏 数据对齐与FIFO——别让硬件罢工

DMA很强大，但也有些“脾气”。

比如最常见的 HardFault 错误，往往就是因为地址没对齐。

记住这几条铁律：

数据宽度	要求对齐方式
Byte（8位）	任意地址
Half-word（16位）	偶地址（如 0x20000000, 0x20000002）
Word（32位）	4字节对齐（0x20000000, 0x20000004）

如果你试图用 DMA_MDATAALIGN_WORD 去访问一个未对齐的地址，轻则传输失败，重则直接触发HardFault。

解决办法：
- 定义缓冲区时强制对齐：

__attribute__((aligned(4))) uint32_t dma_buffer[32];

• 或者使用编译器提供的宏：

ALIGN_32BYTES(uint8_t audio_buf[256]);

此外，高端型号还支持FIFO模式，可用于缓解速度不匹配问题。

例如：
- 慢速外设 → 快速内存：启用FIFO可批量传输，减少总线占用
- 快速外设 → 慢速外设：FIFO充当缓冲池，防止溢出

不过FIFO也增加了复杂度，建议初学者先掌握基本模式。

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实战案例：用DMA让USART飞起来

你是不是经常为了发一条调试信息，就得让整个程序卡住几毫秒？

试试这个：

UART_HandleTypeDef huart1;
DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_tx;

uint8_t log_msg[] = "[INFO] System initialized.\r\n";

void send_log_dma(void) {
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, log_msg, sizeof(log_msg));
}

就这么一行调用，DMA就会自动把数据从内存搬到USART的TDR寄存器，直到全部发送完毕。

期间CPU干什么都可以：
- 继续采集传感器
- 更新LCD显示
- 执行PID控制算法

等到发送结束，会自动调用回调函数：

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart->Instance == USART1) {
        // 可以标记发送完成，或启动下一轮
        tx_complete_flag = 1;
    }
}

💡 小技巧：如果你想连续发送多条消息，可以用环形队列管理待发数据包，每次DMA发送完成后自动取出下一条。

这样就能实现类似“异步日志系统”的效果，完全不影响主线程。

🚀 应用场景扩展：
- GPS模块数据转发（NMEA语句批量发送）
- Modbus RTU协议帧输出
- BLE/Wi-Fi模组AT指令交互

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更进一步：内存到内存的DMA搬运

很多人以为DMA只能用于外设，其实它也能当“内部快递员”。

比如你想把一段Flash中的字体数据加载到SRAM中用于GUI显示：

extern const uint8_t font_data_in_flash[];
uint8_t font_buffer_in_sram[2048];

DMA_HandleTypeDef hdma_mem2mem;

void copy_font_via_dma(void) {
    __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();

    hdma_mem2mem.Instance = DMA2_Stream1;
    hdma_mem2mem.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_MEMORY;
    hdma_mem2mem.Init.PeriphInc = DMA_PINC_ENABLE;
    hdma_mem2mem.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_mem2mem.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_mem2mem.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_mem2mem.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    hdma_mem2mem.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;

    HAL_DMA_Init(&hdma_mem2mem);

    HAL_DMA_Start(&hdma_mem2mem,
                  (uint32_t)font_data_in_flash,
                  (uint32_t)font_buffer_in_sram,
                  2048);

    // 等待完成（或注册回调）
    while (HAL_DMA_PollForTransfer(&hdma_mem2mem, HAL_DMA_FULL_TRANSFER, 100) != HAL_OK);
}

虽然这类操作不如外设DMA常用，但在固件升级、资源动态加载等场景中非常有用。

📌 特别提醒：Cortex-M7/M33等带缓存的芯片要注意 缓存一致性问题 ！

比如从Flash复制到SRAM后，如果目标区域在DCache中有缓存，必须手动无效化：

SCB_InvalidateDCache_by_address((uint32_t*)font_buffer_in_sram, 2048);

否则你可能会发现：“明明写了数据，怎么读出来还是旧的？”——这就是缓存惹的祸。

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如何选择合适的缓冲策略？

DMA虽好，但缓冲区设计不当也会带来新问题。

下面是几种常见模式及其适用场景：

✅ 固定大小缓冲 + 传输完成中断

最基础的方式，适合稳定速率采集。

优点：逻辑清晰，易于调试
缺点：中断频率固定，无法适应突发流量

uint16_t buf[64];
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)buf, 64);
// 在 ConvCpltCallback 中处理

✅ 半满/全满双中断（Half-Transfer & Full-Transfer）

利用DMA的HT（Half Transfer）和TC（Transfer Complete）两个事件。

相当于把缓冲区切成两半：
- 前半写满 → HT中断 → CPU处理前半
- 后半写满 → TC中断 → CPU处理后半

实现流水线式处理，延迟更低。

// 启用两种中断
__HAL_DMA_ENABLE_IT(&hdma_adc1, DMA_IT_HT | DMA_IT_TC);

// 分别处理
void HAL_ADC_HalfConvCpltCallback() { /* 处理前半 */ }
void HAL_ADC_ConvCpltCallback()     { /* 处理后半 */ }

✅ 双缓冲 + 缓冲切换中断

适用于极高实时性需求，如音频流、运动控制。

特点：DMA始终在写，CPU在另一个缓冲上安全读取，绝不冲突。

配合RTOS还能做到任务间解耦。

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常见坑点 & 调试技巧

DMA看似简单，但一旦出问题往往很难排查。以下是一些血泪经验总结：

❌ 坑1：缓冲区放在栈上

错误示范：

void start_dma(void) {
    uint16_t local_buf[4];  // 栈变量！
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)local_buf, 4);
}

函数退出后，栈空间可能被复用，DMA还在往里面写……后果不堪设想。

✅ 正确做法：全局静态变量 or static 修饰 or 动态分配（配合RTOS）

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❌ 坑2：忘记使能DMA时钟

__HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE(); // 必须加！否则DMA不工作

尤其是新手容易忽略这点，导致“代码没错却没反应”。

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❌ 坑3：DMA通道映射错误

不同STM32型号，外设对应的DMA通道不一样！

比如：
- STM32F407：ADC1 → DMA2_Stream0_Channel0
- STM32F103：ADC1 → DMA1_Channel1

务必查阅《Reference Manual》中的“DMA request mapping”表格。

🔍 推荐做法：打开CubeMX，勾选DMA，自动生成正确配置。

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❌ 坑4：缓存未同步（Cache Coherency）

再次强调：M7/M4F等带缓存的芯片，DMA写入SRAM后，CPU可能读到的是缓存旧值！

解决方法：
- 写操作后调用 SCB_InvalidateDCache_by_address()
- 或者将DMA缓冲区定义在Non-cacheable区域（通过链接脚本或MPU配置）

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🛠️ 调试技巧三连击：

1. Memory Watch + Breakpoint
   在IDE中观察缓冲区变化，设置中断断点看是否如期触发。

2. Logic Analyzer 抓信号
   用LA接ADC_BUSY、USART_TX等引脚，验证传输时序是否正常。

3. 开启DMA错误中断
   c __HAL_DMA_ENABLE_IT(&hdma_adc1, DMA_IT_TE); // 使能传输错误中断
   一旦发生地址错误、传输失败等异常，立即捕获。

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设计哲学：什么时候该用DMA？

说了这么多技术细节，我们回到最初的问题：

我到底该不该上DMA？

这里给你一套决策框架：

✔️ 上DMA的典型场景：

• ✅ 数据量 > 1KB/s
• ✅ 传输频率 > 100Hz
• ✅ 对实时性敏感（如音频、电机控制）
• ✅ 需要降低功耗（配合Sleep/Stop模式）
• ✅ 多任务系统中希望释放CPU资源

❌ 可不用DMA的情况：

• ❌ 单次传输几个字节（如发个”OK\r\n”）
• ❌ 调试阶段快速验证功能
• ❌ 硬件资源紧张（DMA通道已被占满）

记住一句话： DMA不是万能药，但它是专业系统的标配 。

就像汽车里的自动变速箱——低速挪车用手动挡也行，但跑长途没有自动挡简直反人类。

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最后一点思考：DMA教会我们的事

DMA的存在本身就在告诉我们一件事：

🌟 最好的系统，是让硬件尽可能自治 。

它不只是一项技术，更是一种设计思维。

当你学会把“数据搬运”这种重复劳动交给专用硬件，你才有精力去解决真正有价值的问题：
- 如何优化控制算法？
- 如何提升用户体验？
- 如何延长电池寿命？

这才是嵌入式开发从“能跑”到“好用”的跃迁之路。

所以，下次你在写 for 循环拷贝数组的时候，不妨停下来问一句：

“这事，能不能让DMA来干？”

也许答案就是你迈向高性能系统的第一步。