STM32-15-DMA

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文章目錄

  • STM32-15-DMA
    • 1. DMA與中斷的區別
      • 1. DMA
      • 2. 中斷
    • 2. DMA介紹
    • 3. DMA結構框圖
      • 1. DMA框圖
      • 2. DMA處理過程
      • 3. DMA通道
    • 4. DMA相關寄存器
    • 5. DMA相關HAL庫驅動
    • 6. 代碼實現

STM32-15-DMA

1. DMA與中斷的區別

**DMA（Direct Memory Access，直接內存訪問）**和中斷是兩種不同的機制，用于管理計算機系統中外圍設備與處理器之間的數據傳輸和處理。

1. DMA

工作原理：

  • 獨立傳輸：DMA允許外設直接與系統內存交換數據，而不需要通過處理器（CPU）。當需要大量數據傳輸時，DMA控制器接管傳輸任務，釋放CPU去執行其他任務。
  • 傳輸過程：DMA傳輸數據時，CPU啟動DMA傳輸，然后DMA控制器接管整個傳輸過程。傳輸完成后，DMA控制器通過中斷通知CPU傳輸完成。

作用：

  • 提高效率：DMA減少了CPU在數據傳輸過程中的參與，使得CPU能夠執行其他任務，從而提高系統的整體效率。
  • 減少延遲：由于DMA可以獨立進行傳輸，因此數據傳輸的延遲更低，特別是在處理大塊數據時。
  • 應用場景：DMA廣泛應用于音頻、視頻數據流、網絡數據包的傳輸、存儲設備的數據讀寫等場景。

對程序的影響：

  • 復雜度增加：引入DMA需要對DMA控制器進行配置，可能增加程序的復雜性。
  • 同步問題：在DMA傳輸過程中，程序需要處理好數據同步問題，避免數據不一致性問題。

2. 中斷

工作原理：

  • 中斷觸發：中斷是外設通過中斷信號通知CPU某個事件發生，如輸入設備有新數據可讀取，定時器到期等。
  • 中斷處理：CPU響應中斷后，暫停當前任務，跳轉到相應的中斷處理程序（ISR）執行。當中斷處理程序執行完畢后，CPU恢復先前任務的執行。

作用：

  • 實時響應：中斷機制使CPU能夠實時響應外設事件，保證系統對外部事件的快速反應。
  • 事件驅動：中斷使得程序可以基于事件驅動，而不是定期輪詢外設狀態，從而節省CPU資源。
  • 應用場景：鍵盤輸入、鼠標移動、網絡數據包到達、定時器事件等。

對程序的影響：

  • 中斷處理程序設計：中斷處理程序需要盡可能簡短、快速，避免長時間占用CPU。
  • 中斷優先級管理：系統中可能有多個中斷源，需要合理設計中斷優先級，以確保關鍵中斷能夠及時響應。
  • 上下文切換開銷：中斷會引起上下文切換，帶來一定的性能開銷。

總結

  • DMA：適用于大量數據傳輸，降低CPU負載，提高系統效率。
  • 中斷：適用于實時事件響應，保證系統對外部事件的快速處理。

兩者結合使用，可以構建高效、實時的嵌入式系統。例如，DMA用于大數據塊的傳輸，而中斷用于觸發DMA傳輸和處理傳輸完成事件。

2. DMA介紹

  • **DMA：**即直接存儲器訪問。DMA傳輸方式無需CPU直接控制傳輸，也沒有中斷處理方式那樣保留現場和恢復現場的過程，通過硬件為RAM與I/O設備開辟一條直接傳送數據的通路，能使CPU的效率大為提高。
  • STM32F103內部有2個DMA控制器，DMA1有7個通道，DMA2有5個通道。每個通道專門用來管理來自于一個或多個外設對存儲器訪問的請求，還有一個仲裁器來協調各個DMA請求的優先權。
  • 特性：
    • 每個通道都直接連接專用的硬件DMA請求，每個通道都支持軟件觸發。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，當軟件相同時，由硬件決定。
    • 獨立的源和目標數據區的傳輸寬度，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，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65535。

3. DMA結構框圖

1. DMA框圖

在這里插入圖片描述

  • ①DMA請求

    如果外設想要通過DMA來傳輸數據，必須先給DMA控制器發送DMA請求，DMA收到請求信號之后，控制器會給外設一個應答信號，當外設應答后且DMA控制器收到應答信號之后，就會啟動DMA的傳輸，直到傳輸完畢。

  • ②DMA通道

    DMA具有12個獨立可編程的通道，其中DMA1有7個通道，DMA2有5個通道，每個通道對應不同的外設的DMA請求。雖然每個通道可以接收多個外設的請求，但是同一時間只能接收一個，不能同時接收多個。

  • ③DMA優先級

    當發生多個DMA通道請求時，就意味著有先后響應處理的順序問題，這個就由仲裁器管理。仲裁器管理DMA通道請求分為兩個階段。第一階段屬于軟件階段，可以在DMA_CCRx寄存器中設置，有4個等級：非常高，高，中和低四個優先級。第二階段屬于硬件階段，如果兩個或以上的DMA通道請求設置的優先級一樣，則他們優先級取決于通道編號，編號越低優先權越高，比如通道0高于通道1。在大容量產品和互聯型產品中，DMA1控制器擁有高于DMA2控制器的優先級。

2. DMA處理過程

在這里插入圖片描述

DMA（Direct Memory Access，直接內存訪問）是一種允許外設直接與系統內存進行數據傳輸的機制，不需要CPU的直接干預。以下是DMA處理過程的詳細描述：

DMA處理過程

  1. 配置DMA控制器：
    • 源地址：設置數據傳輸的源地址（可以是外設寄存器地址或內存地址）。
    • 目標地址：設置數據傳輸的目標地址（可以是外設寄存器地址或內存地址）。
    • 傳輸方向：指定數據傳輸的方向，是從外設到內存，還是從內存到外設。
    • 數據長度：設置需要傳輸的數據長度（字節數）。
    • 傳輸模式：選擇傳輸模式，可以是單次傳輸、塊傳輸或連續傳輸模式。
  2. 啟動DMA傳輸：
    • 觸發傳輸：在配置完成后，通過設置DMA控制器的啟動位，開始數據傳輸。
    • 數據搬運：DMA控制器接管數據傳輸任務，將數據從源地址搬運到目標地址。這個過程中，DMA控制器直接與內存控制器和外設總線進行交互，不需要CPU干預。
  3. 中斷通知：
    • 傳輸完成中斷：數據傳輸完成后，DMA控制器產生中斷信號，通知CPU傳輸已經完成。CPU執行相應的中斷服務程序（ISR）處理后續任務。
    • 錯誤處理：如果在傳輸過程中發生錯誤（如總線錯誤），DMA控制器也會產生中斷，通知CPU進行錯誤處理。

3. DMA通道

DMA1通道與外設的對應關系
在這里插入圖片描述

DMA2通道與外設的對應關系
在這里插入圖片描述

4. DMA相關寄存器

寄存器名稱作用
DMA_CCRxDMA通道x配置寄存器用于配置DMA（核心控制寄存器）
DMA_ISRDMA中斷狀態寄存器用于查詢當前DMA傳輸狀態
DMA_IFCRDMA中斷標志清除寄存器用來清除DMA_ISR對應位
DMA_CNDTRxDMA通道x傳輸數量寄存器用于控制DMA通道x每次傳輸的數據量
DMA_CPARxDMA通道x外設地址寄存器用于存儲STM32外設地址
DMA_CMARxDMA通道x存儲器地址寄存器用于存放存儲器的地址
USART_CR3USART控制寄存器3用于使能串口DMA發送

  • DMA通道x配置寄存器（DMA_CCRx）
    在這里插入圖片描述

  • DMA中斷狀態寄存器（DMA_ISR）
    在這里插入圖片描述

  • DMA 中斷標志清除寄存器（DMA_IFCR）
    在這里插入圖片描述

  • DMA通道x傳輸數量寄存器（DMA_CNDTRx）
    在這里插入圖片描述

    該寄存器控制著DMA通道x的每次傳輸所要傳輸的數據量。其設置范圍為0~65535。并且該寄存器的值隨著傳輸的進行而減少，當該寄存器的值為0的時候就代表此次數據傳輸己經全部發送完成。可以通過這個寄存器的值來獲取當前DMA傳輸的進度。

  • DMA通道x外設地址寄存器（DMA_CPARx）
    在這里插入圖片描述

    用來存儲 STM32 外設的地址。

  • DMA通道x存儲器地址寄存器（DMA_CMARx）
    在這里插入圖片描述

    用來存放存儲器的地址。

5. DMA相關HAL庫驅動

  1. 使能DMA時鐘

    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

  2. 初始化DMA

    HAL_StatusTypeDef HAL_DMA_Init(DMA_HandleTypeDef *hdma);typedef struct
{ uint32_t Direction; /* 傳輸方向，例如存儲器到外設 DMA_MEMORY_TO_PERIPH */uint32_t PeriphInc; /* 外設（非）增量模式，非增量模式 DMA_PINC_DISABLE */ uint32_t MemInc; /* 存儲器（非）增量模式，增量模式 DMA_MINC_ENABLE */ uint32_t PeriphDataAlignment; /* 外設數據大小：8/16/32 位 */uint32_t MemDataAlignment; /* 存儲器數據大小：8/16/32 位 */uint32_t Mode; /* 模式：循環模式/普通模式 */ uint32_t Priority; /* DMA 優先級：低/中/高/非常高 */
}DMA_InitTypeDef;__HAL_LINKDMA(&g_uart1_handler, hdmatx, g_dma_handle);

  3. 使能串口的DMA發送，啟動傳輸

    HAL_UART_Transmit_DMA()HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAStop(UART_HandleTypeDef *huart); /* 停止 */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAPause(UART_HandleTypeDef *huart); /* 暫停 */
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAResume(UART_HandleTypeDef *huart); /* 恢復 */

  4. 查詢DMA傳輸狀態

    //查詢DMA傳輸通道的狀態
__HAL_DMA_GET_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC4);//獲取當前傳輸剩余數據量
__HAL_DMA_GET_COUNTER(&g_dma_handle);//設置對應的DMA數據流傳輸的數據量大小
__HAL_DMA_SET_COUNTER (&g_dma_handle, 1000);

  5. DMA中斷使用

    //通用中斷處理函數
void HAL_DMA_IRQHandler();//相關中斷回調函數
//發送完成回調函數
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
//發送一半回調函數
void HAL_UART_TxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
//接收完成回調函數
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
//接收一半回調函數
void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);
//傳輸出錯回調函數
void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart);

6. 代碼實現

  • 功能

    每按下按鍵KEY0,串口1就會以DMA方式發送數據，同時在LCD上面顯示傳送進度。打開串口調試助手，可以收到DMA發送的內容。LED0閃爍用于提示程序正在運行。

  • DMA初始化函數

    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();}//將DMA與USART1連接起來__HAL_LINKDMA(&g_uart1_handle, hdmatx, g_dma_handle); g_dma_handle.Instance = DMAx_CHx;                   //USART1_TX使用的DMA通道為DMA_Channel4g_dma_handle.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH; //模式選擇為從存儲器到外設g_dma_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;     //外設非增量模式g_dma_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;         //存儲器增量模式g_dma_handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; //外設數據長度為8位g_dma_handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;    //存儲器數據長度為8位g_dma_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM;            //中等優先級HAL_DMA_Init(&g_dma_handle);
}

  • 主函數

    int main(void)
{uint16_t i, k;uint16_t len;uint8_t  mask = 0;float pro = 0;          /* 進度 */HAL_Init();                         /* 初始化HAL庫 */sys_stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9); /* 設置時鐘, 72Mhz */delay_init(72);                     /* 延時初始化 */usart_init(115200);                 /* 串口初始化為115200 */led_init();                         /* 初始化LED */lcd_init();                         /* 初始化LCD */key_init();                         /* 初始化按鍵 */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字符集數據 */{if (k >= len)   /* 入換行符 */{if (mask){g_sendbuf[i] = 0x0a;k = 0;}else{g_sendbuf[i] = 0x0d;mask++;}}else     /* 復制TEXT_TO_SEND語句 */{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);    /* 顯示百分號 */HAL_UART_Transmit_DMA(&g_uart1_handle, g_sendbuf, SEND_BUF_SIZE);/* 等待DMA傳輸完成，此時我們來做另外一些事情，比如點燈  * 實際應用中，傳輸數據期間，可以執行另外的任務 */while (1){if ( __HAL_DMA_GET_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC4))   /* 等待 DMA1_Channel4 傳輸完成 */{__HAL_DMA_CLEAR_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC4);HAL_UART_DMAStop(&g_uart1_handle);                  /* 傳輸完成以后關閉串口DMA */break;}pro = DMA1_Channel4->CNDTR; /* 得到當前還剩余多少個數據 */len = SEND_BUF_SIZE;        /* 總長度 */pro = 1 - (pro / len);      /* 得到百分比 */pro *= 100;                 /* 擴大100倍 */lcd_show_num(30, 150, pro, 3, 16, BLUE);} lcd_show_num(30, 150, 100, 3, 16, BLUE);    /* 顯示100% */lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "Transimit Finished!", BLUE); /* 提示傳送完成 */}i++;delay_ms(10);if (i == 20){LED0_TOGGLE();  /* LED0閃爍,提示系統正在運行 */i = 0;}}
}

  • 實驗結果


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