STM32微控制器的DMA：释放CPU，提升系统性能

于 2024-02-22 17:53:26 发布
阅读量1.9k 收藏 18
点赞数 17
分类专栏： STM32学习 文章标签： stm32 嵌入式硬件 单片机
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/wei2486/article/details/136238330
版权

前言

        STM32系列微控制器，作为市场上广受欢迎的高性能、低功耗解决方案，其强大的功能集和灵活的配置选项使其成为众多开发者的首选。在这些功能中，直接内存访问（DMA）技术尤为突出，它不仅提升了数据传输的效率，还极大地减轻了中央处理器（CPU）的负担，使得系统能够执行更多的并行任务，从而显著提高了整体性能。

        DMA是一种允许外围设备直接与内存进行数据交换的技术，无需CPU的介入。这种机制在处理大量数据传输时尤为重要，因为它允许CPU专注于执行其他关键任务，而不是被数据传输过程所束缚。在STM32微控制器中，DMA功能的设计和实现，使得开发者能够轻松地配置和管理数据流，无论是在处理传感器数据、执行音频处理还是进行高效的通信任务时，DMA都能发挥其独特的优势。本文将深入探讨STM32微控制器的DMA功能，包括其工作原理、配置过程、以及如何在实际应用中充分利用这一强大的工具。通过本文，你将了解到如何通过DMA技术，释放STM32微控制器的潜力，为你的项目带来更高的性能和更好的用户体验。

DMA简介

        在微控制器系统中，数据传输是实现各种功能的基础。传统的数据传输方式通常依赖于CPU的指令来控制，这不仅效率低下，而且在处理大量数据时会严重占用CPU资源，限制了系统的响应速度和并行处理能力。为了解决这一问题，直接内存访问（Direct Memory Access，简称DMA）技术应运而生。DMA是一种硬件机制，它允许外围设备（如ADC、DAC、SD卡控制器等）直接与系统内存进行数据交换，而无需CPU的介入。这种机制通过专门的DMA控制器来实现，它能够独立地管理数据传输，从而释放CPU资源，让其专注于执行其他任务。

        其工作原理是DMA控制器在初始化时会接收来自CPU的配置信息，包括源地址、目标地址、传输大小等。一旦配置完成，DMA控制器就会接管数据传输过程。在传输过程中，DMA控制器会根据预设的参数，自动处理数据的读取和写入，直到传输完成。传输完成后，DMA控制器会通过中断信号通知CPU，此时CPU可以执行后续处理或继续其他任务。

DMA与传统CPU控制数据传输的对比：

  • 效率：DMA在数据传输期间不需要CPU的持续参与，显著提高了数据传输效率。
  • 资源占用：DMA减少了CPU在数据传输过程中的资源占用，使得CPU可以处理更多任务。
  • 响应时间：由于DMA的并行处理能力，系统的整体响应时间得以缩短。
  • 灵活性：DMA支持多种数据传输模式，如单次传输、循环传输、链式传输等，适应不同的应用需求。

STM32微控制器系列提供了丰富的DMA通道，支持多种外设和内存之间的数据传输。这对于需要处理高速数据流的应用（如音频处理、视频传输、网络通信等）尤为重要。通过合理配置和使用DMA，开发者可以显著提升STM32微控制器的性能，实现更复杂的系统功能，同时保持系统的高效率和低功耗。

STM32 DMA架构详解

        在STM32微控制器中，DMA（Direct Memory Access）控制器是一个独立的硬件模块，它负责管理外设与内存之间的数据传输。了解DMA的架构对于有效地利用这一功能至关重要。以下是STM32 DMA控制器的架构概述：

基本组成：

  1. DMA控制器核心：这是DMA模块的核心，负责执行数据传输的控制逻辑。它包括状态寄存器、中断和错误状态寄存器、中断使能寄存器等，用于监控DMA传输的状态和处理中断。

  2. DMA通道：STM32微控制器提供多个DMA通道，每个通道可以独立配置和控制数据传输。通道的数量和特性取决于具体的STM32系列和型号。

  3. DMA流（Stream）：在某些STM32系列中，DMA通道被进一步细分为流。每个流可以看作是一个独立的数据传输通道，允许同时进行多个数据传输任务。

  4. 内存接口：DMA控制器通过内存接口与系统内存相连，支持多种内存访问模式，如单次访问、连续访问、循环访问等。

  5. 外设接口：DMA控制器通过外设接口与各种外设相连，如ADC、DAC、SPI、I2C等。这些接口允许DMA控制器直接从外设读取数据或向其写入数据。

        下图是STM32系统构架图，可以看到STM32F10X系列上的微控制器拥有两个DMA控制器，挂载在APB1、APB2总线上的外设和SDIO接口都能发起DMA请求，DMA1有7个通道，DMA2有5个通道，不同通道对应着不同的外设请求。

DMA配置

        在配置每一个外设之前，我们可以去查看标准库中此外设的头文件，通常会有一个结构体，这个结构体里包含了初始化该外设的配置流程，我们按需配置即可，从这个结构体可以看出初始化DMA需要配置外设和内存地址，以及传输的方向（从外设到内存或从内存到外设）、数据宽度（8位、16位或32位）、传输模式（单次、循环、链式）等。

/** 
  * @brief  DMA Init structure definition
  */

typedef struct
{
  uint32_t DMA_PeripheralBaseAddr; /*!< Specifies the peripheral base address for DMAy Channelx. */

  uint32_t DMA_MemoryBaseAddr;     /*!< Specifies the memory base address for DMAy Channelx. */

  uint32_t DMA_DIR;                /*!< Specifies if the peripheral is the source or destination.
                                        This parameter can be a value of @ref DMA_data_transfer_direction */

  uint32_t DMA_BufferSize;         /*!< Specifies the buffer size, in data unit, of the specified Channel. 
                                        The data unit is equal to the configuration set in DMA_PeripheralDataSize
                                        or DMA_MemoryDataSize members depending in the transfer direction. */

  uint32_t DMA_PeripheralInc;      /*!< Specifies whether the Peripheral address register is incremented or not.
                                        This parameter can be a value of @ref DMA_peripheral_incremented_mode */

  uint32_t DMA_MemoryInc;          /*!< Specifies whether the memory address register is incremented or not.
                                        This parameter can be a value of @ref DMA_memory_incremented_mode */

  uint32_t DMA_PeripheralDataSize; /*!< Specifies the Peripheral data width.
                                        This parameter can be a value of @ref DMA_peripheral_data_size */

  uint32_t DMA_MemoryDataSize;     /*!< Specifies the Memory data width.
                                        This parameter can be a value of @ref DMA_memory_data_size */

  uint32_t DMA_Mode;               /*!< Specifies the operation mode of the DMAy Channelx.
                                        This parameter can be a value of @ref DMA_circular_normal_mode.
                                        @note: The circular buffer mode cannot be used if the memory-to-memory
                                              data transfer is configured on the selected Channel */

  uint32_t DMA_Priority;           /*!< Specifies the software priority for the DMAy Channelx.
                                        This parameter can be a value of @ref DMA_priority_level */

  uint32_t DMA_M2M;                /*!< Specifies if the DMAy Channelx will be used in memory-to-memory transfer.
                                        This parameter can be a value of @ref DMA_memory_to_memory */
}DMA_InitTypeDef;

        下面是一段配置DMA的实例，这段代码的目的是配置DMA1通道1，使其能够从ADC1的数据寄存器连续读取3个16位的数据，并将这些数据存储到名为ADC_Value的内存地址。配置完成后，DMA通道被启用，开始执行数据传输任务。

// 声明一个结构体变量，用于存储DMA的配置参数
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

// 启用DMA1的时钟，这是为了确保DMA控制器可以正常工作
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);

// 设置DMA的外设基地址，即ADC1的数据寄存器地址
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (u32)(&(ADC1->DR));

// 设置DMA的内存基地址，即存储ADC数据的内存地址
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (u32)ADC_Value;

// 设置DMA传输方向，这里从外设（ADC）读取数据
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;

// 设置要传输的数据量，这里是3个数据
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 3;

// 设置外设地址在传输过程中是否自动增加，这里不增加
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;

// 设置内存地址在传输过程中是否自动增加，这里增加
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;

// 设置每次传输的数据大小，这里是半字（16位）
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;

// 设置DMA的工作模式，这里是循环模式，传输完成后会自动重新开始
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;

// 设置DMA的优先级，这里是高优先级
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;

// 设置是否进行内存到内存的传输，这里是禁用
DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;

// 使用上述配置初始化DMA1的通道1
DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);

// 启用DMA1通道1，开始数据传输
DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);

接下来看看DMA_Init()和DMA_Cmd()到底执行了哪些操作，跳转到函数定义处。

/**
  * @brief  Initializes the DMAy Channelx according to the specified
  *         parameters in the DMA_InitStruct.
  * @param  DMAy_Channelx: where y can be 1 or 2 to select the DMA and 
  *   x can be 1 to 7 for DMA1 and 1 to 5 for DMA2 to select the DMA Channel.
  * @param  DMA_InitStruct: pointer to a DMA_InitTypeDef structure that
  *         contains the configuration information for the specified DMA Channel.
  * @retval None
  */
void DMA_Init(DMA_Channel_TypeDef* DMAy_Channelx, DMA_InitTypeDef* DMA_InitStruct)
{
  uint32_t tmpreg = 0;

  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_DMA_ALL_PERIPH(DMAy_Channelx));
  assert_param(IS_DMA_DIR(DMA_InitStruct->DMA_DIR));
  assert_param(IS_DMA_BUFFER_SIZE(DMA_InitStruct->DMA_BufferSize));
  assert_param(IS_DMA_PERIPHERAL_INC_STATE(DMA_InitStruct->DMA_PeripheralInc));
  assert_param(IS_DMA_MEMORY_INC_STATE(DMA_InitStruct->DMA_MemoryInc));   
  assert_param(IS_DMA_PERIPHERAL_DATA_SIZE(DMA_InitStruct->DMA_PeripheralDataSize));
  assert_param(IS_DMA_MEMORY_DATA_SIZE(DMA_InitStruct->DMA_MemoryDataSize));
  assert_param(IS_DMA_MODE(DMA_InitStruct->DMA_Mode));
  assert_param(IS_DMA_PRIORITY(DMA_InitStruct->DMA_Priority));
  assert_param(IS_DMA_M2M_STATE(DMA_InitStruct->DMA_M2M));

/*--------------------------- DMAy Channelx CCR Configuration -----------------*/
  /* Get the DMAy_Channelx CCR value */
  tmpreg = DMAy_Channelx->CCR;
  /* Clear MEM2MEM, PL, MSIZE, PSIZE, MINC, PINC, CIRC and DIR bits */
  tmpreg &= CCR_CLEAR_Mask;
  /* Configure DMAy Channelx: data transfer, data size, priority level and mode */
  /* Set DIR bit according to DMA_DIR value */
  /* Set CIRC bit according to DMA_Mode value */
  /* Set PINC bit according to DMA_PeripheralInc value */
  /* Set MINC bit according to DMA_MemoryInc value */
  /* Set PSIZE bits according to DMA_PeripheralDataSize value */
  /* Set MSIZE bits according to DMA_MemoryDataSize value */
  /* Set PL bits according to DMA_Priority value */
  /* Set the MEM2MEM bit according to DMA_M2M value */
  tmpreg |= DMA_InitStruct->DMA_DIR | DMA_InitStruct->DMA_Mode |
            DMA_InitStruct->DMA_PeripheralInc | DMA_InitStruct->DMA_MemoryInc |
            DMA_InitStruct->DMA_PeripheralDataSize | DMA_InitStruct->DMA_MemoryDataSize |
            DMA_InitStruct->DMA_Priority | DMA_InitStruct->DMA_M2M;

  /* Write to DMAy Channelx CCR */
  DMAy_Channelx->CCR = tmpreg;

/*--------------------------- DMAy Channelx CNDTR Configuration ---------------*/
  /* Write to DMAy Channelx CNDTR */
  DMAy_Channelx->CNDTR = DMA_InitStruct->DMA_BufferSize;

/*--------------------------- DMAy Channelx CPAR Configuration ----------------*/
  /* Write to DMAy Channelx CPAR */
  DMAy_Channelx->CPAR = DMA_InitStruct->DMA_PeripheralBaseAddr;

/*--------------------------- DMAy Channelx CMAR Configuration ----------------*/
  /* Write to DMAy Channelx CMAR */
  DMAy_Channelx->CMAR = DMA_InitStruct->DMA_MemoryBaseAddr;
}

 需要传入DMA初始化函数的参数有：

  • DMAy_Channelx：指向DMA通道的指针，y可以是1或2（表示DMA1或DMA2），x可以是1到7（DMA1的通道）或1到5（DMA2的通道）。
  • DMA_InitStruct：指向DMA_InitTypeDef结构体的指针，包含了DMA通道的配置信息。

在DMA初始化函数内部，首先进行了一系列参数检查，确保传入的参数是有效的。这些检查通过assert_param宏实现，如果参数不符合预期，程序会进入断言失败状态。然后把相对应的值传给对应的寄存器，即通道配置部分，这里涉及到的主要寄存器有CCR（Channel Control Register）、CNDTR（Channel Number of Data to Transfer Register）、CPAR（Channel Peripheral Address Register）和CMAR（Channel Memory Address Register），其中CCR寄存器包含了DMA通道的控制信息，如传输方向、循环模式、优先级等。代码首先读取当前的CCR值，然后清除一些位，接着根据DMA_InitStruct中的配置信息设置相应的位。这些位包括数据传输方向（DIR）、循环模式（CIRC）、内存和外设地址增量（PINC、MINC）、数据大小（PSIZE、MSIZE）和优先级（PL）。CNDTR寄存器用于设置要传输的数据数量。这里直接将DMA_InitStruct中的DMA_BufferSize值写入CNDTR。CPAR寄存器设置外设的基地址，CMAR寄存器设置内存的基地址。这里将DMA_InitStruct中的DMA_PeripheralBaseAddr和DMA_MemoryBaseAddr分别写入CPAR和CMAR。

/**
  * @brief  Enables or disables the specified DMAy Channelx.
  * @param  DMAy_Channelx: where y can be 1 or 2 to select the DMA and 
  *   x can be 1 to 7 for DMA1 and 1 to 5 for DMA2 to select the DMA Channel.
  * @param  NewState: new state of the DMAy Channelx. 
  *   This parameter can be: ENABLE or DISABLE.
  * @retval None
  */
void DMA_Cmd(DMA_Channel_TypeDef* DMAy_Channelx, FunctionalState NewState)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_DMA_ALL_PERIPH(DMAy_Channelx));
  assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(NewState));

  if (NewState != DISABLE)
  {
    /* Enable the selected DMAy Channelx */
    DMAy_Channelx->CCR |= DMA_CCR1_EN;
  }
  else
  {
    /* Disable the selected DMAy Channelx */
    DMAy_Channelx->CCR &= (uint16_t)(~DMA_CCR1_EN);
  }
}

 需要传入DMA使能函数的参数有：

  • DMAy_Channelx：指向DMA通道的指针，y可以是1或2（表示DMA1或DMA2），x可以是1到7（DMA1的通道）或1到5（DMA2的通道）。
  • NewState：新的状态，可以是ENABLE（启用）或DISABLE（禁用）。

同样的，在函数内部，首先进行参数检查，确保传入的DMA通道和状态是有效的。这些检查通过assert_param宏实现。接下来，根据NewState参数的值，代码会执行相应的操作来启用或禁用DMA通道：

  • 如果NewState不是DISABLE（即ENABLE），则通过设置CCR寄存器的DMA_CCR1_EN位来启用DMA通道。这是通过将CCR寄存器的值与DMA_CCR1_EN进行按位或操作实现的。

  • 如果NewState是DISABLE，则通过清除CCR寄存器的DMA_CCR1_EN位来禁用DMA通道。这是通过将CCR寄存器的值与~DMA_CCR1_EN（DMA_CCR1_EN的按位取反）进行按位与操作实现的。

DMA还拥有一些高级特性，例如：链式传输、内存对内存传输、流控制、流链接等。

总结

        DMA在STM32项目中的应用非常广泛，尤其是在需要高速数据传输的场景中，例如在音频处理项目中，如实时音频流的录制和播放，DMA可以显著提高系统的性能，使用DMA来配置DMA通道来直接从麦克风的ADC（模数转换器）读取数据，并将数据传输到内存。这样，CPU就不需要参与数据的移动过程，可以专注于其他任务，如音频数据的处理、编码或用户界面的更新。DMA的循环传输模式（Circular Mode）还可以实现无缝的音频流录制，即使在数据缓冲区满时，DMA也会自动重新开始传输，而不会丢失任何数据。通过这些方式，DMA在音频处理和图像传输等应用中显著提高了性能和效率，总的来说，DMA是STM32微控制器系统中不可或缺的一部分，它通过优化数据传输过程，为开发者提供了强大的工具，以实现更高效、更复杂的嵌入式系统设计。

评论 1
添加红包

请填写红包祝福语或标题

个

红包个数最小为10个

元

红包金额最低5元

当前余额3.43元 前往充值 >
需支付：10.00元
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付元
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明：

1.余额是钱包充值的虚拟货币，按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载，可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值