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第12课【DMA 直接数据访问】直接数据访问效率数据总线冲突通道仲裁器

简介

DMA（Direct Memory Access 直接内存访问）指的是STM32中的一个外设。它可以在无需CPU介入的情况下，实现外设和存储器之间或存储器与存储器之间的数据传输，这里的存储器指的是SRAM或者是Flash。在进行一些大批量的，或者是周期性重复的数据转移工作时，通常都会使用到DMA，这使得CPU可以腾出时间完成其他更具意义的任务，从而提高处理效率，在这点上，DMA和GPU的存在意义类似，都是用于处理专门的需求或者数据而存在的

STM32的DMA的控制器包含了两个DMA：DMA1和DMA2，其中DMA1拥有7个通道（可以理解为数据传输通道），DMA2拥有5各通道。DMA2在大容量类型或互联网类型STM32产品上才会搭载

STM32上的DMA外设有以下特点：

12个通道（DMA1有7个，DMA2有5个）都可独立配置
低、中、高、最高四种通道优先级可选
SRAM，Flash，AHB/APB1/APB2总线上的基本所有外设都支持DMA

功能框图

STM32的DMA外设同其他外设一样，也是独立于Cortex内核的存在，其可以大致分为三部分：请求，通道，仲裁器，功能框图如下：

请求

其他外设如果需要使用DMA功能，需要向DMA发送请求，DMA收到请求后，会根据情况给发起请求的外设一个应答信号，只有当请求的外设收到应答信号时，才会启动DMA传输功能

通道

通道指代的是数据传输通道，DMA1有7条通道，DMA2有5条通道，12条通道都可以独立编程控制，并且每条通道对应了不同的外设，具体对应如下图：

DMA1通道对应外设：
DMA2通道对应外设：

可以看到，每个通道可以对应多个外设。但是同一时间，一个通道只能被一个外设使用，需要多个外设同时使用同一个通道时，开发者需要注意规划外设DMA通道时序，以确保通道带宽得到有效且正确的分配

DMA传输的实现机制以及拓展思考
DMA传输实际上还是需要同Cortex内核共享系统数据总线来实现的，这就意味着在DMA传输进行时，CPU依旧是需要等待的，既然需要等待那么如何提高访问效率呢。为此，STM开发者是这么设计的，当DMA外设和内核同时访问同一个设备时，DMA外设会暂停内核访问总线的若干个周期，同时总线总裁器执行循环调度，保证内核能至少获得总线一半的带宽，

仲裁器

类似于多个外设同时使用一个通道的场景，DMA传输在同一时刻只能对一个通道进行数据传输操作，当DMA控制器同时接收到来自多个通道的数据传输请求时，会通过优先级进行仲裁，优先级分为两种：软件优先级和硬件优先级

软件优先级：可以通过DMA_CCR寄存器对单独某个通道进行优先级配置，分别有四种：低，中，高，最高。高优先级通道的数据传输请求会被优先处理
硬件优先级：如果某两个通道的软件优先级配置一致，那么会根据通道固定的硬件优先级进行比较，硬件优先级数字越小，优先级越高

使用配置

DMA外设的数据传输配置，主要是需要对数据的元数据（即描述数据用的数据）进行配置：包括传输方向，数据量，传输模式

传输方向

DMA传输数据的方向分为三种：外设到存储器，存储器到外设，存储器到存储器。三种方向主要通过以下寄存器中的位来配置：

DMA_CCR寄存器的DIR位：配置DMA数据的传输方向，DIR位置1时，从存储器读取数据，写入到外设，即存储器->外设；DIR位清0时，从外设读取数据，写入到存储器中，即外设->存储器；当使用存储器到存储器模式时，还需要将寄存器中的MEM2MEM位置1。
DMA_CPARx（x = 1~7）寄存器：配置外设的地址
DMA_CMARx（x = 1…7）寄存器：配置存储器的地址

具体举例三种情况：

外设到存储器：例如通过DMA外设将串口外设的数据传输到SRAM中，首先要配置DMA_CPARx
寄存器中的外设地址，也就是串口外设的数据寄存器地址，之后再配置DMA_CMARx
寄存器中的存储器地址，即代码中的临时缓存变量地址，临时变量会存储于SRAM中，最后将DMA_CCR寄存器中的DIR位清0，表示传输方向为：外设->存储器
存储器到外设：与上一个例子类似，只不过传输方向需要改为存储器->外设，需要将DMA_CCR寄存器中的DIR位置1
存储器到存储器：存储器到存储器同以上两个例子有些许不同，例如将Flash的数据传输到SRAM（Flash中的数据只读），那么可以将Flash的访问地址当作外设地址，配置到DMA_CPARx寄存器中；将临时变量的地址当作存储器地址，配置到DMA_CMARx寄存器中；而此模式下传输方向仅支持配置为Flash到SRAM，DMA_CCR寄存器的DIR位无需进行配置；同时需要将DMA_CCR寄存器中的MEM2MEM位置

数据量

数据量的配置包括了，数据量大小，单个数据的宽度，以及数据指针增量模式。主要通过以下寄存器中的位来配置：

DMA_CNDTRx（x = 1…7）寄存器：用于显示剩余待传输的数据的量。最小值为0，此时无论如何都不会发生数据传输，最大值为65535（无符号32位寄存器），最多一次能传输65536Bytes的数据。每传输1Byte数据，此寄存器会自减1。如果此寄存器的值自减到0，那么会根据是否有配置重载数据，进行寄存器值重新装载
DMA_CCRx（x = 1…7）寄存器的PSIZE位[1:0]/MSIZE位[1:0]：用于配置外设/存储器数据宽度。PSIZE位[1:0]配置外设数据宽度，MSIZE位[1:0]配置存储器数据宽度，可以是8/16/32位。但是要确保两者的数据宽度是一致的，才能进行数据传输
DMA_CCRx（x = 1…7）寄存器的PINC位/MINC位：用于配置数据传输时的数据指针增量模式，外设的地址指针由DMA_CCRx的PINC位配置，PINC位置1时，每完成一次数据传输，外设的数据指针会自增1，PINC位清0时，每完成一次数据传输，外设的数据指针保持不变，存储器的地址指针由MINC位配置，配置方法和PINC位类似。是否需要启用指针增量模式，由开发者来决定

传输模式

传输模式分为两种：单次传输和循环传输。顾名思义，单次传输进行一次传输，而循环传输会一直不间断的进行单次传输，每轮单次传输完成后，都会重新按照初始配置重新进行传输。传输模式由DMA_CCRx（x = 1…7）寄存器的CIRC位控制，CIRC位置1时，执行循环传输操作，CIRC位清0时，执行单次传输操作

对于两种传输的传输状态，包括传输过半，传输完成，传输出错都有相应的标志位去查询，同时也可以启用中断，通过中断去对特定指定状态执行对应操作

实例分析

以下内容基于STM32F103VET野火指南者开发板，分别实现两个功能：

（存储器间传输）通过DMA将Flash数据复制到SRAM中，对比两份数据，查看DMA传输是否成功
（存储器到外设）通过DMA将SRAM数据复制到串口外设的数据寄存器中，并循环发送到PC端，查看是否准确发送。同时主程序中运行LED闪烁实验，以验证DMA传输不影响CPU进行其他活动

会使用到开发板的LED灯模块以及USB串口模块（实际上是USART模块+CH340G芯片），原理图分别如下：

LED灯模块：
CH340G芯片：

首先，需要解析标准库提供的DMA初始化结构体，以及相关操作函数：

/** 
  * @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;

其中结构体成员的含义分别如下：

DMA_PeripheralBaseAddr：外设地址
DMA_MemoryBaseAddr：存储器地址
DMA_DIR：数据传输方向。可以是外设->存储器，也可以是存储器->外设
DMA_BufferSize：传输数据量的大小。最小为0Byte，最大为65536Bytes
DMA_PeripheralInc：外设地址的增量模式。由开发者选择是否使用
DMA_MemoryInc：存储器地址的增量模式。由开发者选择是否使用
DMA_PeripheralDataSize：外设地址可以获取到的单次传输的数据大小。可以是8/16/32bits
DMA_MemoryDataSize：存储器地址可以获取到的单次传输的数据大小。可以是8/16/32bits
DMA_Mode：传输模式。分为单次传输和循环传输
DMA_Priority：通道优先级。分为低、中、高、最高四种
DMA_M2M：是否开启存储器到存储器模式。只有使用存储器间传输时会开启

存储器间传输

此功能的实现思路为：

初始化Flash中的源数据，以及SRAM中的目标数据
初始化LED灯用GPIO口
初始化DMA传输参数
启动DMA传输
对比源数据与目标数据，将结果通过LED灯颜色展示出来

分别建立DMA相关板级支持文件bsp_dma.h，bsp_dma.c，内容分别如下：

bsp_dma.h：

#ifndef __BSP_DMA_H__
#define __BSP_DMA_H__

#include 

#define DMA_CHANNEL DMA1_Channel1
#define DMA_CLK     RCC_AHBPeriph_DMA1
#define DMA_FLAG_TC DMA1_FLAG_TC1

#define DMA_BUFFER_SIZE 32

extern const uint32_t aSRC_Const_Buffer[DMA_BUFFER_SIZE];
extern uint32_t aDST_Buffer[DMA_BUFFER_SIZE];

void DMA_Config(void);
uint8_t BufferCompare(const uint32_t *pSRCBuffer, uint32_t *pDSTBuffer, uint16_t BufferLength);

#endif

bsp_dma.c：

#include "bsp_dma.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_dma.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include 

// The "const" keyword for a global variable will cause it to be storged in ROM(Flash)
const uint32_t aSRC_Const_Buffer[DMA_BUFFER_SIZE] = 
{
    0x01020304, 0x05060708, 0x090A0B0C, 0x0D0E0F10, 
    0x11120304, 0x05160718, 0x090A1B0C, 0x0D0E0F10, 
    0x21220304, 0x05260728, 0x090A2B0C, 0x0D0E0F20, 
    0x31320304, 0x05360738, 0x090A3B0C, 0x0D0E0F30, 
    0x41420304, 0x05460748, 0x090A4B0C, 0x0D0E0F40, 
    0x51520304, 0x05560758, 0x090A5B0C, 0x0D0E0F50, 
    0x61620304, 0x05660768, 0x090A6B0C, 0x0D0E0F60, 
    0x71720304, 0x05760778, 0x090A7B0C, 0x0D0E0F70
};

// Without the "const" keyword, a global variable will be storged in SRAM
uint32_t aDST_Buffer[DMA_BUFFER_SIZE];

void DMA_Config(void)
{
    // DMA
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    // DMA Clk enable
    RCC_AHBPeriphClockCmd(DMA_CLK, ENABLE);
    // DMA param config
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t) aSRC_Const_Buffer;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr     = (uint32_t) aDST_Buffer;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR                = DMA_DIR_PeripheralSRC;
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize         = DMA_BUFFER_SIZE;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc      = DMA_PeripheralInc_Enable;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc          = DMA_MemoryInc_Enable;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize     = DMA_MemoryDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode               = DMA_Mode_Normal;
    DMA_InitStructure.DMA_Priority           = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M                = DMA_M2M_Enable; // Enable M2M
    DMA_Init(DMA_CHANNEL, &DMA_InitStructure);
    // DMA enable
    DMA_Cmd(DMA_CHANNEL, ENABLE);
}

uint8_t BufferCompare(const uint32_t *pSRCBuffer, uint32_t *pDSTBuffer, uint16_t BufferLength)
{
    for (int i=0; i<BufferLength; ++i)
    {
        if (*(pSRCBuffer+i) == *(pDSTBuffer+i))
        {
            continue;
        }
        else 
        {
            return 1;
        }
    }

    return 0;
}

通过板级支持包代码实现需求：

#include "userapp.h"
#include "bsp_dma.h"
#include "bsp_clkconfig.h"
#include "bsp_led.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_dma.h"
#include 

int userapp(void)
{
    LED_GPIO_Init();

    Delay(3000000);    

    LED_PURPLE;

    DMA_Config();

	// Wait until DMA transfer complete 
    while (DMA_GetFlagStatus(DMA_FLAG_TC) == RESET);

    Delay(3000000);    

	// Compare buffer and show result by different LED color
    if (BufferCompare(aSRC_Const_Buffer, aDST_Buffer, BUFFER_SIZE) == 0)
    {
        LED_GREEN;
    }
    else 
    {
        LED_RED;
    }

    while (1)
    {
    }
}

存储器到外设

此功能的实现思路为和存储器间的样例没有很大不同，但是要注意以下几点：

需要初始化串口用GPIO口以及串口模块
不需要开启DMA传输的M2M模式
将Flash当作外设来处理
需要额外配置USART的DMA控制发送功能，此功能仅DMA 通道4支持

分别建立DMA相关板级支持文件bsp_dma_uart.h，bsp_dma_uart.c，内容分别如下：

bsp_dma_uart.h：

#ifndef __BSP_DMA_UART_H__
#define __BSP_DMA_UART_H__

#include "stm32f10x_usart.h"

#define UART_DR_ADDR         (USART1_BASE + 0x04)

// DMA
#define UART_DMA_CLK              RCC_AHBPeriph_DMA1
#define UART_DMA_CHANNEL          DMA1_Channel4 // channel 4 support only
#define UART_DMA_BUFFER_SIZE      64

extern uint8_t aSRC_Buffer[UART_DMA_BUFFER_SIZE];

void UART_DMA_Config(void);

#endif

bsp_dma_uart.c：

#include "bsp_dma_uart.h"
#include "bsp_uart.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_dma.h"
#include "stm32f10x_gpio.h"
#include "stm32f10x_rcc.h"
#include "stm32f10x_usart.h"
#include 

uint8_t aSRC_Buffer[UART_DMA_BUFFER_SIZE] = "HeLLo WoRld !!! This is a demo of DMA/UART\n";

void UART_DMA_Config(void)
{
    // DMA
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    // DMA Clk enable
    RCC_AHBPeriphClockCmd(UART_DMA_CLK, ENABLE);
    // DMA param config
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = UART_DR_ADDR;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr     = (u32)aSRC_Buffer;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR                = DMA_DIR_PeripheralDST;
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize         = UART_DMA_BUFFER_SIZE;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc      = DMA_PeripheralInc_Disable;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc          = DMA_MemoryInc_Enable;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize     = DMA_MemoryDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode               = DMA_Mode_Circular;
    DMA_InitStructure.DMA_Priority           = DMA_Priority_Medium;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M                = DMA_M2M_Disable;
    DMA_Init(UART_DMA_CHANNEL, &DMA_InitStructure);
    // DMA enable
    DMA_Cmd (UART_DMA_CHANNEL,ENABLE);
    
    // DMA UART TX enable
    USART_DMACmd(USARTx, USART_DMAReq_Tx, ENABLE);
}