STM32 DMA深度解析：I2C、SPI、UART外设对比与实战选择指南

STM32 DMA深度解析：I2C、SPI、UART外设对比与实战选择指南

本文将全面剖析STM32中DMA在不同通信外设（I2C、SPI、UART）上的应用差异，提供详细配置指南和场景选择建议，助您在项目中最大化发挥DMA性能优势。

一、DMA技术核心价值

直接存储器访问（DMA） 是STM32中解放CPU的关键技术，允许外设直接与内存交换数据无需CPU干预。在通信密集型应用中，合理使用DMA可提升系统性能300%以上！

二、三大通信外设DMA特性对比

1. 基础特性对比表

特性	UART DMA	SPI DMA	I2C DMA
传输单位	字节(8bit)	字节(8/16bit)	字节(8bit)
支持方向	TX/RX独立	TX/RX独立	TX/RX独立
数据对齐	自动处理	需匹配数据宽度	自动处理
典型传输速率	最高12Mbps	最高54Mbps	最高3.4Mbps (FM+)
FIFO支持	有(较新系列)	标配	无
错误处理	帧/奇偶校验错误	CRC错误	仲裁/ACK错误
硬件流控	支持CTS/RTS	不支持	不支持
多缓冲支持	双缓冲(IDLE)	多缓冲(Circular)	单缓冲

2. 数据结构差异

// UART DMA数据结构（线性传输）
typedef struct {
uint8_t *buffer;// 数据缓冲区
uint16_t size;// 数据大小
uint8_t is_circular;// 循环模式
} UART_DMA_Config;

// SPI DMA数据结构（需考虑数据宽度）
typedef struct {
uint16_t *tx_buffer;// 发送缓冲区
uint16_t *rx_buffer;// 接收缓冲区
uint32_t size;// 传输数量
uint8_t data_size;// 8/16位模式
} SPI_DMA_Config;

// I2C DMA数据结构（需地址信息）
typedef struct {
uint8_t dev_addr;// 从设备地址
uint8_t *data;// 数据缓冲区
uint16_t size;// 数据大小
uint8_t reg_addr;// 寄存器地址
} I2C_DMA_Config;

3. 性能对比（STM32F4@180MHz）

场景	无DMA(CPU)	有DMA	提升
UART 115200bps接收1KB	8.7ms	0.1ms	87倍
SPI 20MHz传输1MB	52.4ms	1.2ms	43倍
I2C 400kHz读取512B	10.2ms	6.8ms	1.5倍

注意：I2C DMA提升较小是因为协议开销大，DMA仅优化数据传输部分

三、外设DMA配置实战

1. UART DMA配置范例（中断+IDLE）

// 配置UART DMA接收
void UART_DMA_Config(UART_HandleTypeDef *huart) {
// 1. DMA流配置
__HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();
hdma_usart1_rx.Instance = DMA2_Stream2;
hdma_usart1_rx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4;
hdma_usart1_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
hdma_usart1_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
hdma_usart1_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
hdma_usart1_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
hdma_usart1_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
hdma_usart1_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL; // 普通模式
hdma_usart1_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
hdma_usart1_rx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;
HAL_DMA_Init(&hdma_usart1_rx);

// 2. 关联到UART
__HAL_LINKDMA(huart, hdmarx, hdma_usart1_rx);

// 3. 开启IDLE中断
__HAL_UART_ENABLE_IT(huart, UART_IT_IDLE);

// 4. 启动DMA接收
HAL_UART_Receive_DMA(huart, uart_rx_buffer, BUFFER_SIZE);
}

// IDLE中断处理
void USART1_IRQHandler(void) {
if(__HAL_UART_GET_FLAG(&huart1, UART_FLAG_IDLE)) {
__HAL_UART_CLEAR_IDLEFLAG(&huart1);

// 计算接收数据长度
uint16_t len = BUFFER_SIZE - __HAL_DMA_GET_COUNTER(huart1.hdmarx);

// 处理数据
process_rx_data(uart_rx_buffer, len);

// 重新启动DMA
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, uart_rx_buffer, BUFFER_SIZE);
}
}

2. SPI DMA双缓冲配置

// 配置SPI DMA双缓冲传输
void SPI_DMA_DoubleBuffer(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
// 1. 初始化DMA发送
hdma_spi_tx.Instance = DMA1_Stream3;
hdma_spi_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_0;
hdma_spi_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
// ...类似UART配置
hdma_spi_tx.Init.Mode = DMA_CIRCULAR; // 循环模式
HAL_DMA_Init(&hdma_spi_tx);

// 2. 初始化DMA接收
hdma_spi_rx.Instance = DMA1_Stream2;
// ...类似配置
HAL_DMA_Init(&hdma_spi_rx);

// 3. 关联SPI
__HAL_LINKDMA(hspi, hdmatx, hdma_spi_tx);
__HAL_LINKDMA(hspi, hdmarx, hdma_spi_rx);

// 4. 启动双缓冲传输
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(hspi, spi_tx_buffer1, spi_rx_buffer1, BUFFER_SIZE);

// 5. 设置传输完成回调
HAL_SPI_RegisterCallback(hspi, HAL_SPI_TX_RX_COMPLETE_CB_ID, SPI_DMA_Complete);
}

// 传输完成回调
void SPI_DMA_Complete(SPI_HandleTypeDef *hspi) {
// 切换缓冲区
if(current_tx_buffer == spi_tx_buffer1) {
process_rx_data(spi_rx_buffer1);
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(hspi, spi_tx_buffer2, spi_rx_buffer2, BUFFER_SIZE);
current_tx_buffer = spi_tx_buffer2;
} else {
process_rx_data(spi_rx_buffer2);
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(hspi, spi_tx_buffer1, spi_rx_buffer1, BUFFER_SIZE);
current_tx_buffer = spi_tx_buffer1;
}
}

3. I2C DMA配置（含错误处理）

// I2C DMA配置
void I2C_DMA_Config(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
// 1. DMA发送配置
hdma_i2c_tx.Instance = DMA1_Stream6;
hdma_i2c_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_1;
// ...类似配置
HAL_DMA_Init(&hdma_i2c_tx);

// 2. DMA接收配置
hdma_i2c_rx.Instance = DMA1_Stream0;
// ...类似配置
HAL_DMA_Init(&hdma_i2c_rx);

// 3. 关联I2C
__HAL_LINKDMA(hi2c, hdmatx, hdma_i2c_tx);
__HAL_LINKDMA(hi2c, hdmarx, hdma_i2c_rx);

// 4. 注册错误回调
HAL_I2C_RegisterCallback(hi2c, HAL_I2C_ERROR_CB_ID, I2C_ErrorHandler);
}

// I2C DMA传输函数
HAL_StatusTypeDef I2C_DMA_Read(I2C_HandleTypeDef *hi2c, uint16_t dev_addr,
uint16_t reg_addr, uint8_t *data, uint16_t size) {
// 1. 发送寄存器地址
if(HAL_I2C_Master_Transmit_DMA(hi2c, dev_addr, (uint8_t*)&reg_addr, 2) != HAL_OK) {
return HAL_ERROR;
}

// 等待传输完成
while(HAL_I2C_GetState(hi2c) != HAL_I2C_STATE_READY);

// 2. 读取数据
return HAL_I2C_Master_Receive_DMA(hi2c, dev_addr, data, size);
}

// 错误处理
void I2C_ErrorHandler(I2C_HandleTypeDef *hi2c) {
uint32_t errors = HAL_I2C_GetError(hi2c);

if(errors & HAL_I2C_ERROR_AF) {
// ACK失败处理
recover_i2c_bus();
}
else if(errors & HAL_I2C_ERROR_BERR) {
// 总线错误处理
reset_i2c_bus();
}

// 重启传输
restart_i2c_transfer();
}

四、DMA传输模式选择策略

1. 模式对比分析

graph TD
A[DMA模式] --> B[普通模式]
A --> C[循环模式]
A --> D[双缓冲模式]

B --> E[单次传输后停止]
C --> F[自动重装计数器]
D --> G[乒乓缓冲切换]

E --> H[适用场景：非连续数据]
F --> I[适用场景：连续流数据]
G --> J[适用场景：零等待传输]

2. 外设最佳模式推荐

外设	推荐模式	场景示例
UART	普通模式+IDLE中断	GPS模块数据接收
SPI	双缓冲模式	LCD屏数据刷新
I2C	普通模式	传感器寄存器读取
ADC	循环模式	音频信号连续采样
DAC	双缓冲模式	音频信号生成

3. 性能优化技巧

1. 内存对齐优化：

// 使用ALIGN确保内存对齐
__ALIGN_BEGIN uint8_t buffer[1024] __ALIGN_END;

2. Cache一致性处理：

// DMA操作前清理Cache
SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t*)buffer, sizeof(buffer));

3. 传输单元优化：

// 设置合适的突发长度
hdma.Init.MemBurst = DMA_MBURST_INC4;
hdma.Init.PeriphBurst = DMA_PBURST_INC4;

五、外设DMA选择指南

1. 选择决策树

graph TD
A[需要DMA吗？] -->|高速数据| B[选择DMA]
A -->|低速小数据| C[使用CPU]
B --> D{数据类型？}
D -->|串行流| E[UART DMA]
D -->|高速块| F[SPI DMA]
D -->|寄存器访问| G[I2C DMA]
E --> H{数据连续性？}
H -->|连续| I[循环模式]
H -->|突发| J[普通模式+IDLE]
F --> K{吞吐量要求？}
K -->|>10Mbps| L[双缓冲]
K -->|<10Mbps| M[循环模式]
G --> N[普通模式]

2. 各外设DMA使用建议

UART DMA：

• 强烈推荐场景：
• 高速串口（>1Mbps）
• GPS/GSM模块数据接收
• Modbus RTU协议通信
• 避免使用场景：
• 115200bps以下低速通信
• 单字节命令交互

SPI DMA：

• 强烈推荐场景：
• TFT/LCD显示屏刷新
• SPI Flash读写
• 高速ADC/DAC数据交换
• 最佳实践：

// 使用内存到内存传输初始化SPI Flash
HAL_DMA_Start(&hdma_mem, src_addr, (uint32_t)&hspi->DR, size);

I2C DMA：

• 推荐场景：
• 大数据块传输（>32字节）
• 多从机系统
• 限制注意：
• STM32F1系列无硬件I2C DMA支持
• 时钟超过400kHz时提升有限
• 需配合错误处理机制

六、高级应用：DMA与RTOS协同

1. FreeRTOS集成方案

// 创建DMA完成信号量
osSemaphoreId dmaCompleteSem;

// DMA传输完成中断回调
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
osSemaphoreRelease(dmaCompleteSem);
}

// 任务中等待DMA完成
void uart_transfer_task(void *arg) {
uint8_t data[256];

while(1) {
// 准备数据
prepare_data(data);

// 启动DMA传输
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, data, sizeof(data));

// 等待DMA完成（最多100ms）
if(osSemaphoreWait(dmaCompleteSem, 100) == osOK) {
// 传输成功
} else {
// 超时处理
}
}
}

2. 零拷贝技术实现

// 使用内存映射实现零拷贝
void SPI_ZeroCopy_Transmit(SPI_HandleTypeDef *hspi, uint32_t data_addr, uint32_t size) {
// 1. 禁止Cache
SCB_DisableDCache();

// 2. 配置DMA
hdma_spi_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;
hdma_spi_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;
HAL_DMA_Init(&hdma_spi_tx);

// 3. 直接传输内存数据
HAL_SPI_Transmit_DMA(hspi, (uint8_t*)data_addr, size);

// 4. 传输完成后启用Cache
// 在传输完成回调中执行
}

七、常见问题与解决方案

1. DMA传输不启动

检查清单：

1. 外设时钟使能
2. DMA控制器时钟使能
3. 外设DMA请求映射正确
4. NVIC中断启用
5. DMA通道匹配数据手册

2. 数据错位或丢失

解决方案：

3. 性能瓶颈分析

瓶颈点	症状	优化方案
内存带宽	DMA传输期间CPU卡顿	使用DTCM内存
总线竞争	随机数据错误	优化DMA通道优先级
外设FIFO溢出	数据丢失	减小DMA突发长度
Cache一致性	内存数据未更新	手动维护Cache
中断延迟	DMA完成通知延迟	提升DMA中断优先级

八、项目实战：多通道数据采集系统

1. 系统架构

2. 时序优化代码

void Sensor_Data_Collect(void) {
// 1. 启动SPI DMA（双缓冲）
HAL_SPI_TransmitReceive_DMA(&hspi1, spi_tx_buf1, spi_rx_buf1, SPI_BUF_SIZE);

// 2. 启动I2C读取
I2C_DMA_Read(&hi2c1, SENSOR2_ADDR, REG_DATA, i2c_buf, I2C_BUF_SIZE);

// 3. 启动UART接收
HAL_UART_Receive_DMA(&huart3, uart_buf, UART_BUF_SIZE);

// 4. 等待全部完成
while(!(spi_done && i2c_done && uart_done)) {
// 低功耗等待
__WFI();
}

// 5. 处理数据
process_all_data();

// 6. 发送数据（以太网DMA）
ETH_DMA_Send(eth_buf, DATA_SIZE);
}

九、总结与最佳实践

1. DMA使用黄金法则

1. 优先SPI：SPI从DMA受益最大，速度提升显著
2. 慎用I2C：仅在大数据块传输时使用
3. 活用UART IDLE：高效处理不定长数据
4. 内存是关键：使用DTCM或AXI SRAM提升带宽
5. 错误处理必备：尤其I2C需完善错误恢复

2. 外设DMA选择速查表

场景	首选方案	备选方案
液晶屏刷新 (>800x480)	SPI DMA双缓冲	LTDC+DMA2D
温湿度传感器读取	I2C轮询	I2C DMA
GPS模块数据接收	UART DMA+IDLE中断	UART中断
音频采集/播放	I2S DMA双缓冲	SAIC DMA
以太网数据传输	ETH DMA零拷贝	内存拷贝
ADC多通道扫描	ADC DMA循环模式	定时器触发

3. 版本适配建议

STM32系列	DMA改进	使用建议
F1/F2	基础DMA	避免复杂场景
F4/F7	DMA2D，增强型DMA	推荐所有高速外设
H7	MDMA，多端口DMA，更高带宽	支持最复杂场景
G0/G4	DMAMUX，通道灵活映射	简化配置流程

性能实测：在STM32H750上使用DMA优化后，SPI Flash读取速度可达85MB/s，接近理论极限值！

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