【工具使用】STM32CubeMX-DMA配置（ADC+DMA 和 UART+DMA）

一、概述

    无论是新手还是大佬，基于STM32单片机的开发，使用STM32CubeMX都是可以极大提升开发效率的，并且其界面化的开发，也大大降低了新手对STM32单片机的开发门槛。
    本文主要讲述STM32芯片的DMA的配置及其相关知识。

二、软件说明

    STM32CubeMX是ST官方出的一款针对ST的MCU/MPU跨平台的图形化工具，支持在Linux、MacOS、Window系统下开发，其对接的底层接口是HAL库，另外习惯于寄存器开发的同学们，也可以使用LL库。STM32CubeMX除了集成MCU/MPU的硬件抽象层，另外还集成了像RTOS，文件系统，USB，网络，显示，嵌入式AI等中间件，这样开发者就能够很轻松的完成MCU/MPU的底层驱动的配置，留出更多精力开发上层功能逻辑，能够更进一步提高了嵌入式开发效率。
    演示版本 6.7.0

三、DMA简介

    DMA（Direct Memory Access）直接内存访问，其实就是一个数据搬运工，负责将数据从一个地方搬运到另一个地方而不需要内核介入。STM32里的DMA支持从外设到内存，从内存到外设和从内存到内存三种传输方式。
    老规矩，先来看下ST芯片手册里DMA的框架图。

    从此图可以看出，DMA的数据来源与去向可以源自于各种外设，当然这只限于目前的这款芯片，有些芯片DMA不能访问部分外设，如ST的H750，具体能否访问需要看芯片手册里的总线框架。
    我们先把这图拆成四部分：
    首先是中间的"Bus matrix"（总线矩阵），是这个图的核心，所有的外设及内核，都是通过总线矩阵进行数据交互的。
    左上角就是F072这款芯片的内核，用的是Cortex-M0。内核需要通过总线矩阵才能跟其他外设进行数据交互。
    右侧是与本文关系不大的其他外设，包括Flash、SRAM及GPIO等其他外设。
    而左下角就是本文的主角——DMA。

    前面也说了，DMA就是一个数据搬运工，那什么时候需要这个搬运工呢？一般有两种场景，一是有大量数据需要传输，二是需要内核频繁切换搬运的数据传输。
    比如现在要做一个显示屏，用到了一个GUI开源库LVGL，这个库用于显示的接口是操作一段缓存数据，这段缓存叫作显存。如果要操作一个16位480*272分辨率的RGB屏，那这段显存的大小就是480*272*2=255k。如果使用内核来填充这段显存，以48M单片机主频来算，假设一个指令周期填充四个字节的数据，那么需要48000000/(255*1024/4)=735us时间。如果屏更大，那花费的时间就更长了。此时内核用于显示占用了过多的时间，就会导致其他操作无法进行。所以像这种无聊单调的搬运工作，完全没必要内核来进行，只需要有个搬运工，简单地配置后，让它自己按时搬运数据，解放内核的双手，让内核可以去做其他更有意义的事。

    再比如现在要实现一个串口的数据收发，ST的串口只提供了一个字节的收发（新的系列提供一段FIFO队列，这里先不考虑这种情况），那如果需要收发100个字节的数据，意味着需要搬运100次数据。相较于上面的255k，可能觉得这100次没什么大不了，但是串口通信是有速率限制的，比如一个9600波特率（1s传输9600个位），传一个字节就需要1ms左右，100个字节就需要100ms。如果使用的是阻塞型发送，即意味着内核需要阻塞100ms的时间。如果使用的中断式发送，那也需要在中断跟主循环中来回切换100次，效率太低。所以像这种重复搬运的，也可以使用DMA来帮忙。

四、功能配置 及 代码实现

    这里我们整两个比较常用的实例吧，实例一：使用ADC+DMA。实例二：使用Uart+DMA。

4.1 ADC+DMA

4.1.1 功能配置

    这里我们试着一次采三个通道，分别是片内温度、参考电压和备份电源电压。
    配置好ADC，ADC的配置可以参考《STM32CubeMX-单ADC模式规则通道配置》。然后在ADC配置的基础上增加DMA的配置。注意，用HAL库的时候，千万不要配置连续转换！！因为HAL库的DMA中断操作时间过长，比ADC转换一次的时间还长，导致程序会一直频繁进DMA中断。


DMA Setting（DMA配置）：DMA的基本功能配置窗口。
DMA Request（DMA请求来源）：这个一般从哪个外设点进来就默认用哪个外设。
Channel（DMA通道ID）：DMA一般有16个通道，当使用了多个DMA通道进行传输时，CubeMX会自动跳过已选择的通道，不用担心会选重。但如果不是通过CubeMX配置的话就要注意去重了。另外，不是所有通道都可以选，芯片手册有写明哪些外设只能用哪些通道，CubeMX会自动给你去除掉不可配置的通道。
Direction（数据传输方向）：DMA本身是可以支持"外设到内存"、“内存到外设"和"内存到内存"这三个数据传输方向的，但因为这里选择了源数据为ADC，所以只能选择"外设到内存”。
Priority（传输优先级）：这里区分了低、中、高、非常高四种优先级。前面说了因为DMA会有多个通道，所以当同时配多个通道时，并且同时有多个传输请求时，这时候就需要区分优先级看哪个先传哪个后传。如果都是一样的优先级，那就按通道的顺序执行。
Add/Delete（添加或删除）：用于添加或删除DMA通道，因为使用的是ADC，只需要一个DMA通道即可解决，所以无法添加第二个DMA通道。
Mode（请求模式）：可以选择单次或循环，如果选择了单次，那DMA会在一轮数据传输后停止传输；如果选择的是循环，则在传输完一轮数据之后自动进行下一轮的传输。
Increment Address（递增地址）：勾选则表示每传一个数据，其对应的物理地址要递增一次。因为这里ADC多个通道采集后的数据都存放在DR这一个寄存器里，所以其物理地址不需要变化，而传输到内存后，如果内存地址不向上加1，则多个通道的数据会被相互覆盖。所以为了达成多个通道的数据自动采集放到不同内存地址，这里需要勾选内存地址递增。
Data Width（数据带宽）：每传输一个数据的位数，可以选择8位、16位和32位。需要注意的是，对应的内存地址需要与数据类型的位数保持对齐，也就是说如果选择了16位数据传输，则用于存放的内存地址必须能被2整除；传输32位的数据则其内存地址需要被4整除。如果地址不对齐会导致数据传输后错位。
    上面的DMA功能配置完后，还需要翻到前面ADC的设置页，使能DMA的请求功能。

4.1.2 代码实现

    查看手册，找到温度的换算公式如下，其中TS_CAL1和TS_CAL2可以在数据手册中找到对应存放的内存地址，而TS_DATA则是当前的采集值。

    V_REFINT（参考电压）及V_BAT（备份电源电压）的换算公式，其中VREFINT_CAL可以在数据手册中找到对应存放的内存地址，VREFINT_DATA就是采集V_REFINT的ADC值。


    把VREFINT_DATA换成VBAT_DATA * 2得出来的结果就是V_BAT的值。乘2是因为手册里写的，V_BAT有可能会大于V_DD，为了防止输入的备份电源过高损坏单片机，所以单片机内部做了分压，最终给到ADC采集的值是二分后的电压。

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
/* ADC采集类型 */
enum emAdcType
{
    ADC_TYPE_temperature = 0,
    ADC_TYPE_vrefint = 1,
    ADC_TYPE_vbat = 2,

    ADC_TYPE_max
};
/* 换算结果缓存 */
float AdcData[ADC_TYPE_max] = {0, 0, 0};
/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  /* 采集结果缓存 */
  uint16_t adc_buff[ADC_TYPE_max] = {0, 0, 0};
  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_ADC_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
	/* 启动采集 */
	HAL_ADC_Start_DMA(&hadc, (uint32_t *)adc_buff, ADC_TYPE_max);
	/* 温度换算 */
	#define TS_CAL1 ((uint16_t *)0x1FFFF7B8)
	#define TS_CAL2 ((uint16_t *)0x1FFFF7C2)
	AdcData[ADC_TYPE_temperature] = (float)(110 - 30) / ((*TS_CAL2) - (*TS_CAL1)) * (adc_buff[ADC_TYPE_temperature] - (*TS_CAL1)) + 30;
	
	/* 参考电压换算 */
	#define VREFINT_CAL ((uint16_t *)0x1FFFF7BA)
	AdcData[ADC_TYPE_vrefint] = (float)3 * (*VREFINT_CAL) / adc_buff[ADC_TYPE_vrefint];
	
	/* 备份电源电压换算 */
	AdcData[ADC_TYPE_vbat] = (float)3 * (*VREFINT_CAL) * 2 / adc_buff[ADC_TYPE_vbat];
		
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

4.1.3 效果演示

注：很奇怪这里的温度按手册的公式算出来一直是50几度，换了几块开发板都这样，后面有时间研究一下。

4.2 Uart+DMA

    这里我们来实现一个比较好玩的功能——串口透传，也就是开启两个串口，当一个串口接收到数据时，把数据给到另一个串口，由另一个串口发送出去；反过来同理。有人可能会说了，这样为什么不用板子直接把两个线接起来就行？我只能说这个功能，实际项目中就会用到，比如串口网关或控制器带透传功能等。话不多说，重点来看下实现。（由于F072的DMA不支持交叉通道配置，所以这里咋偷偷切换个C031来实现外设到外设的配置）。

4.2.1 功能配置

    这里我们来实现一个接收和发送都用DMA搬运的例子。
    同样的先配置好Uart，Uart的配置可以参考《STM32CubeMX-Uart配置 及 数据收发功能实现》。

注：这里串口1的发送口不要配在PC14，因为C031的PC14脚跟烧录引脚复用，需要有其他配置才能作为串口发送。
    然后在Uart配置的基础上增加DMA的配置。不同于ADC，Uart有收跟发两个传输方向，所以这里DMA可以配置两个通道，一个用于数据接收，一个用于数据发送。透传这里我们打算当接收到一个字节的数据时，使用DMA传输至另一个串口的TDR寄存器发送出去，所以这里只需要配置接收的DMA通道。

    因为这里串口的收发寄存器都只有一个，所以Memory地址也不需要递增。另外打开串口中断是为了在发送完一帧数据后，重置一下DMA的配置（因为现在DMA配置的是单次发送，所以每发完一次需要重新配置一次）。

4.2.2 代码实现

/***************************************main.c*********************************************/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void Uart_PassThroughEn1(void)
{
    /* DMA失能 */
    LL_DMA_DisableChannel(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1);

    /* 设置DMA数据源 */
    LL_DMA_SetPeriphAddress(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, LL_USART_DMA_GetRegAddr(USART1, LL_USART_DMA_REG_DATA_RECEIVE));

    /* 设置DMA目标数据地址为另一路串口的发送寄存器地址 */
    LL_DMA_SetMemoryAddress(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, LL_USART_DMA_GetRegAddr(USART2, LL_USART_DMA_REG_DATA_TRANSMIT));

    /* 设置DMA数据长度-这里设置的是一次性最大能传输的数量为255 */
    LL_DMA_SetDataLength(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1, 255);

    /* 打开接收的DMA传输使能 */
    LL_USART_EnableDMAReq_RX(USART1);

    /* 开DMA使能前清除标志 */
    LL_DMA_ClearFlag_TC1(DMA1);
    LL_DMA_ClearFlag_HT1(DMA1);

    /* DMA使能 */
    LL_DMA_EnableChannel(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_1);

    /* 清除TC标志 */
    LL_USART_ClearFlag_TC(USART1);

    /* 使能TC中断 */
    LL_USART_EnableIT_TC(USART1);
}
void Uart_PassThroughEn2(void)
{
    /* DMA失能 */
    LL_DMA_DisableChannel(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_2);

    /* 设置DMA数据源 */
    LL_DMA_SetPeriphAddress(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_2, LL_USART_DMA_GetRegAddr(USART2, LL_USART_DMA_REG_DATA_RECEIVE));

    /* 设置DMA目标数据地址为另一路串口的发送寄存器地址 */
    LL_DMA_SetMemoryAddress(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_2, LL_USART_DMA_GetRegAddr(USART1, LL_USART_DMA_REG_DATA_TRANSMIT));

    /* 设置DMA数据长度-这里设置的是一次性最大能传输的数量为255 */
    LL_DMA_SetDataLength(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_2, 255);

    /* 打开接收的DMA传输使能 */
    LL_USART_EnableDMAReq_RX(USART2);

    /* 开DMA使能前清除标志 */
    LL_DMA_ClearFlag_TC1(DMA1);
    LL_DMA_ClearFlag_HT1(DMA1);

    /* DMA使能 */
    LL_DMA_EnableChannel(DMA1, LL_DMA_CHANNEL_2);

    /* 清除TC标志 */
    LL_USART_ClearFlag_TC(USART2);

    /* 使能TC中断 */
    LL_USART_EnableIT_TC(USART2);
}

/* USER CODE END 0 */

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  LL_APB2_GRP1_EnableClock(LL_APB2_GRP1_PERIPH_SYSCFG);
  LL_APB1_GRP1_EnableClock(LL_APB1_GRP1_PERIPH_PWR);

  /* SysTick_IRQn interrupt configuration */
  NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 3);

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  Uart_PassThroughEn1();
  Uart_PassThroughEn2();
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
/***************************************stm32f0xx_it.c*********************************************/
/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
extern void Uart_PassThroughEn1(void);
extern void Uart_PassThroughEn2(void);
/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief This function handles USART1 interrupt.
  */
void USART1_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 0 */
	if ( (LL_USART_IsEnabledIT_TC(USART1))
    && (LL_USART_IsActiveFlag_TC(USART1))
    )
  {
    Uart_PassThroughEn1();
    LL_USART_ClearFlag_TC(USART1);
  }
  /* USER CODE END USART1_IRQn 0 */
  /* USER CODE BEGIN USART1_IRQn 1 */

  /* USER CODE END USART1_IRQn 1 */
}

/**
  * @brief This function handles USART2 interrupt.
  */
void USART2_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 0 */
	if ( (LL_USART_IsEnabledIT_TC(USART2))
    && (LL_USART_IsActiveFlag_TC(USART2))
    )
  {
    Uart_PassThroughEn2();
    LL_USART_ClearFlag_TC(USART2);
  }
  /* USER CODE END USART2_IRQn 0 */
  /* USER CODE BEGIN USART2_IRQn 1 */

  /* USER CODE END USART2_IRQn 1 */
}

4.2.3 效果演示

五、注意事项

1、使用ADC+DMA时，要留意一下生成代码的初始化顺序，之前出现过生成的代码ADC与DMA的初始化顺序错了，导致ADC配置的通道数被异常修改。
2、DMA传输的内存地址必须与传输的数据类型对齐，如果传输的是16位的数据，则其源和目标内存的地址都必须是2的整数倍；如果传输的是32位的数据，则必须是4的整数倍。如果不对齐DMA会强行访问对齐的地址，结果就是数据错误。
3、使用ADC+DMA时，如果要用HAL库，不能开启连续转换模式。因为HAL库里DMA的中断处理时间长于ADC的采样时间，导致开启传输后，程序几乎一直在DMA中断里出不来，造成程序“假死”的现象。
4、开启ADC校正前，需要先将DMA传输禁止掉，不然ADC校正的结果会被当成一次ADC转换进行传输，导致后续几个通道的传输值均错位。

六、相关链接

【知识分享】异步串行收发器Uart（串口）-通信协议详解
【工具使用】STM32CubeMX-单ADC模式规则通道配置
【工具使用】STM32CubeMX-Uart配置 及 数据收发功能实现