單片機STM32F103：DMA的原理以及應用

STM32F103系列微控制器（基于ARM Cortex-M3內核）集成了**DMA（Direct Memory Access，直接內存訪問）**控制器，用于在存儲器與外設、存儲器與存儲器之間高效傳輸數據，減少CPU的干預，從而提升系統性能。本文將詳細介紹STM32F103的DMA原理、架構、功能特性及使用方法，結合實際代碼示例說明如何在開發中應用DMA，特別以STM32CubeMX和HAL庫為工具。

1. DMA原理

DMA是一種硬件機制，允許數據在存儲器（Flash、SRAM）或外設（UART、SPI、ADC等）之間直接傳輸，而無需CPU逐字節處理。其核心思想是將數據搬運任務交給DMA控制器，CPU只需配置DMA通道并啟動傳輸，傳輸完成后通過中斷或查詢方式獲取結果。

1.1 工作原理
  • DMA控制器：STM32F103的DMA控制器管理多個通道，每個通道負責特定的數據傳輸任務。
  • 數據流：
    • 存儲器到存儲器：如SRAM到SRAM。
    • 外設到存儲器：如ADC數據到SRAM。
    • 存儲器到外設：如SRAM數據到UART發送緩沖區。
  • 觸發機制：
    • DMA傳輸可由軟件觸發（手動啟動）或硬件觸發（外設請求，如UART發送完成）。
  • 中斷支持：
    • 傳輸完成（TC）、半傳輸（HT）或傳輸錯誤（TE）時可觸發中斷。
  • 優勢：
    • 降低CPU負載，適合高吞吐量任務（如ADC采樣、音頻流）。
    • 提高實時性，適合多任務系統。
1.2 STM32F103的DMA架構

STM32F103的DMA控制器分為DMA1和DMA2（部分高密度型號支持DMA2），具體特性如下：

  • DMA1：
    • 7個通道（Channel 1-7）。
    • 連接到APB1/APB2外設（如UART、SPI、ADC）及存儲器。
  • DMA2（僅高密度型號，如STM32F103ZET6）：
    • 5個通道（Channel 1-5）。
    • 通常用于高級外設或額外存儲器訪問。
  • 通道優先級：
    • 每個通道可配置高、中、低優先級，解決多通道沖突。
  • 數據寬度：
    • 支持8位、16位、32位數據傳輸。
  • 傳輸模式：
    • 單次傳輸：傳輸固定長度數據后停止。
    • 循環模式：傳輸完成后自動重新開始，適合連續數據流。
    • 增量模式：支持源/目標地址自動遞增或固定。
  • FIFO：STM32F103的DMA無獨立FIFO，依賴外設緩沖區或直接傳輸。
1.3 DMA工作流程
  1. 配置DMA通道：
    • 設置源地址、目標地址、數據長度。
    • 配置傳輸方向（存儲器到外設、外設到存儲器、存儲器到存儲器）。
    • 設置數據寬度、優先級、增量模式等。
  2. 啟動傳輸：
    • 軟件觸發（設置ENABLE位）或硬件觸發（外設信號）。
  3. 數據傳輸：
    • DMA控制器從源地址讀取數據，寫入目標地址。
  4. 完成處理：
    • 傳輸完成后，觸發中斷或置位標志，通知CPU處理結果。

2. STM32F103 DMA功能特性

  • 通道數量：
    • DMA1：7通道，支持ADC1/2、SPI1/2、UART1-3、I2C1/2、TIM1-4等。
    • DMA2（若有）：5通道，支持高級外設或額外存儲器。
  • 傳輸方向：
    • 存儲器到存儲器（僅DMA1支持）。
    • 外設到存儲器（如ADC采樣到SRAM）。
    • 存儲器到外設（如SRAM數據到UART）。
  • 中斷支持：
    • 傳輸完成中斷（TCIF）。
    • 半傳輸中斷（HTIF）。
    • 傳輸錯誤中斷（TEIF）。
  • 數據對齊：
    • 支持字節（8位）、半字（16位）、字（32位）傳輸。
    • 源和目標數據寬度可不同（如8位外設到16位SRAM）。
  • 循環模式：
    • 啟用后，傳輸完成后自動重新加載計數器，適合連續數據流。
  • 優先級管理：
    • 軟件配置通道優先級（Very High, High, Medium, Low）。
    • 硬件仲裁確保高優先級通道優先訪問總線。

3. DMA使用方法

以下以STM32F103C8T6為例，結合STM32CubeMX和HAL庫，介紹如何實現DMA傳輸，重點以ADC DMA（外設到存儲器）和UART DMA（存儲器到外設）為例。

3.1 開發環境準備
  • 硬件：
    • STM32F103C8T6開發板（如“藍板”）。
    • ST-Link V2調試器。
    • USB-TTL模塊（如CH340）用于串口調試。
  • 軟件：
    • STM32CubeMX：配置外設和DMA。
    • STM32CubeIDE：編寫和調試代碼。
    • STM32CubeProgrammer：燒錄程序。
    • 串口終端（如PuTTY）：查看輸出。
3.2 示例1：ADC DMA（外設到存儲器）

目標：使用ADC1連續采樣多個通道的數據，通過DMA傳輸到SRAM緩沖區。

3.2.1 STM32CubeMX配置
  1. 創建項目：
    • 打開STM32CubeMX，選擇STM32F103C8T6。
  2. 配置ADC：
    • 在“Analog”中啟用ADC1。
    • 配置通道（如IN0、IN1，連接到PA0、PA1）。
    • 設置為“Continuous Conversion Mode”（連續轉換）。
    • 啟用“DMA Continuous Requests”。
  3. 配置DMA：
    • 在ADC1的“DMA Settings”中，添加DMA請求：
      • 選擇DMA1 Channel 1（ADC1默認通道）。
      • 設置：
        • Mode：Circular（循環模式）。
        • Data Width：Half Word（16位，ADC為12位數據）。
        • Increment Address：Memory（目標地址遞增）。
        • Priority：Medium。
  4. 配置時鐘：
    • 設置HSE（8MHz晶振），PLL倍頻到72MHz，APB2為72MHz，ADC時鐘分頻到12MHz（最大14MHz）。
  5. 生成代碼：
    • 在“Project Manager”中設置項目名稱、路徑，選擇“STM32CubeIDE”。
    • 生成代碼。
3.2.2 代碼實現

在STM32CubeIDE中，修改main.c實現ADC DMA采樣：

#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "dma.h"
#include "usart.h"
#include "stdio.h"#define ADC_CHANNEL_COUNT 2
uint16_t adcData[ADC_CHANNEL_COUNT]; // 存儲ADC采樣數據void SystemClock_Config(void);int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_DMA_Init();MX_ADC1_Init();MX_USART1_UART_Init(); // 串口用于調試// 啟動ADC DMAHAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adcData, ADC_CHANNEL_COUNT);while (1) {// 在循環模式下，DMA自動更新adcDatachar msg[50];sprintf(msg, "ADC1: %u, ADC2: %u\r\n", adcData[0], adcData[1]);HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)msg, strlen(msg), 100);HAL_Delay(1000); // 每秒打印一次}
}// DMA傳輸完成回調（可選）
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {// 可在此處理傳輸完成后的邏輯
}

說明：

  • HAL_ADC_Start_DMA啟動ADC和DMA，數據自動傳輸到adcData數組。
  • 循環模式下，DMA自動更新緩沖區，CPU無需干預。
  • 串口（UART1）打印ADC采樣值，用于調試。
3.2.3 測試
  • 燒錄程序到STM32F103。
  • 連接PA0/PA1到模擬信號（如電位器）。
  • 在串口終端（如PuTTY，115200波特率）查看ADC采樣值。
3.3 示例2：UART DMA（存儲器到外設）

目標：通過DMA將SRAM中的數據發送到UART1。

3.3.1 STM32CubeMX配置
  1. 配置UART：
    • 啟用USART1（PA9-TX，PA10-RX）。
    • 設置波特率（如115200），模式為異步。
    • 在“DMA Settings”中，添加DMA請求：
      • 選擇DMA1 Channel 4（USART1_TX默認通道）。
      • 設置：
        • Mode：Normal（單次傳輸）。
        • Data Width：Byte（8位，UART數據）。
        • Increment Address：Memory。
        • Priority：Medium。
  2. 生成代碼：
    • 同ADC示例，生成STM32CubeIDE項目。
3.3.2 kazhuCode實現

修改main.c實現UART DMA發送：

#include "main.h"
#include "dma.h"
#include "usart.h"
#include "string.h"uint8_t txData[] = "Hello, STM32 DMA!\r\n";void SystemClock_Config(void);void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {// 傳輸完成回調HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"TX Complete\r\n", 13, 100);
}int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_DMA_Init();MX_USART1_UART_Init();// 啟動UART DMA發送HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, txData, strlen((char*)txData));while (1) {HAL_Delay(1000); // 每秒發送一次HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, txData, strlen((char*)txData));}
}

說明：

  • HAL_UART_Transmit_DMA啟動DMA傳輸，將txData發送到UART1。
  • 傳輸完成后，觸發HAL_UART_TxCpltCallback中斷。
  • 單次模式下，需手動重新啟動傳輸。
3.3.3 測試
  • 燒錄程序。
  • 連接USB-TTL模塊（PA9->RX，PA10->TX）。
  • 在串口終端查看輸出“Hello, STM32 DMA!”。

4. 關鍵配置注意事項

  • DMA初始化順序：
    • 在main.c中，MX_DMA_Init必須在其他外設初始化（如MX_ADC1_Init、MX_USART1_Init）之前調用，確保DMA時鐘啟用。
  • 通道選擇：
    • 每個外設有固定DMA通道（如ADC1->DMA1 Channel 1，USART1_TX->DMA1 Channel 4）。參考STM32F103參考手冊。
  • 數據對齊：
    • 源和目標數據寬度需匹配（如ADC為16位，緩沖區應為uint16_t）。
  • 中斷管理：
    • 啟用DMA中斷（如HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel1_IRQn)）。
    • 在中斷回調中處理傳輸完成或錯誤。
  • 循環模式 vs 單次模式：
    • 循環模式適合連續數據流（如ADC采樣）。
    • 單次模式適合一次性傳輸（如UART發送固定字符串）。
  • 優先級沖突：
    • 多通道同時傳輸時，設置高優先級給關鍵任務（如ADC優于UART）。

5. 常見問題及解決

  • DMA不工作：
    • 檢查DMA通道是否與外設匹配。
    • 確保MX_DMA_Init在其他外設初始化前調用。
    • 驗證源/目標地址正確，數據長度非零。
  • 數據錯誤：
    • 檢查數據寬度（Byte/Half Word/Word）是否與外設匹配。
    • 確保目標緩沖區有足夠空間。
  • 中斷未觸發：
    • 確認中斷使能（HAL_DMA_Start_IT或外設API）。
    • 檢查NVIC配置（優先級、使能）。
  • 總線沖突：
    • 避免多個DMA通道同時訪問同一存儲器區域。
    • 調整通道優先級或降低傳輸速率。

6. 擴展應用

  • 多通道ADC：使用DMA采集多個ADC通道數據，存儲到數組，適合信號處理。
  • SPI DMA：實現高速SPI數據傳輸（如與LCD或Flash通信）。
  • FreeRTOS集成：結合DMA中斷和信號量，優化實時任務調度。
  • 雙緩沖技術：在循環模式下使用兩個緩沖區交替存儲數據，避免數據覆蓋。

7. 學習資源

  • 官方文檔：
    • STM32F103參考手冊（DMA章節）。
    • STM32CubeMX用戶手冊。
  • 教程：
    • 正點原子/野火的STM32 DMA教程。
    • ST社區論壇的DMA應用筆記（如AN2548）。
  • 工具：
    • STM32CubeMonitor：監控DMA傳輸數據。
    • 邏輯分析儀：調試外設信號。

8. 總結

STM32F103的DMA控制器通過高效的數據傳輸，顯著降低CPU負載，適合高吞吐量場景。DMA1支持7通道，DMA2（部分型號）支持5通道，覆蓋ADC、UART、SPI等外設。使用STM32CubeMX配置DMA參數，結合HAL庫（如HAL_ADC_Start_DMA、HAL_UART_Transmit_DMA）可快速實現傳輸。關鍵注意初始化順序、通道選擇和數據對齊，通過中斷和循環模式優化性能。

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