STM32实战总结：HAL之DMA_hal dma

什么是DMA？

“DMA”是Direct Memory Access的缩写。不使用CPU，而是通过总线直接进行外围功能(模拟功能、通信功能等)和存储器间(闪存、ROM、RAM)的数据传输的功能。

通常，数据传输由CPU执行，而在装有DMA的微型计算机中，DMA代表CPU传输数据。

因此，CPU只需要算术/逻辑运算等CPU才能完成的工作就可以了。其结果是，通过安装DMA，可以综合提高微型计算机的性能。

DMA的最大优势是通过硬件直接传输数据，从而实现高速、大容量的数据传输。您可以在内存和外围功能中自由选择传输源和传输目的地(但受微型计算机的限制)。

但是，由于只有一条总线和CPU分开使用，所以需要调整总线的使用权。这种“总线调整”在英语中被称为“总线仲裁(Bus Arbitration)”。

DMA的基本操作

这是从RAM中提取数据并将其发送到通信功能的情况。通常，当CPU进行数据传输时(图(a))，首先从RAM中读取数据。读取的数据一旦通过CPU中的ALU。然后，ALU直接输出数据，而不对数据进行任何处理，并将数据发送到通信功能。DMA在不通过CPU的情况下从RAM读取数据并将其传输到通信功能。
此时，CPU不会被使用，所以您可以使用ALU进行另一个计算。作为微型计算机，可以并行处理两项工作，非常高效。

首先，CPU在DMA中设置数据数量、源/目的地地址、传输模式等。然后，当DMA传输开始触发时，DMA开始传输。DMA传输启动的触发器可以通过软件或硬件触发。DMA传输结束后，DMA向CPU发出中断，通知传输结束。

仲裁类型(与CPU共享总线权限)
DMA很方便但不是万能的。只有一条总线，所以当DMA使用总线时，CPU就不能使用总线了。如果DMA长时间使用总线来进行大量数据传输，CPU会在此期间一直无法使用总线，从而导致无法将计算结果存储在内存中的问题。因此，需要在CPU和DMA之间高效地使用总线进行调整。这叫做总线仲裁。
还有，使用总线的权利叫做总线权利。总线仲裁是协调(调解)谁拥有总线的权利。

总线仲裁的方式有几种。典型的是Round-Robin，Cycle stealing，burst。

Round-Robin是按顺序让出总线权的方式。例如，如果总线主机是两个，如果CPU使用总线，下一个总线循环使用DMA，然后使用总线交替使用CPU使用。

被称为Cycle stealing的方式是在CPU没有访问内存的总线周期之间涂上，DMA使用总线的方式。

burst方式是指在一定时间内，一个bus Master占有总线权的方式。当你想快速传输优先级高的数据时使用。例如，当DMA发送10个高优先级数据时，DMA会占用总线，直到传输完所有这10个数据为止。

使用上的注意事项
举两个使用DMA时出现的问题的例子。一个是超限运行，另一个是与高速缓存一起使用时发生的主内存数据的丢失。

由于通信功能等原因，CPU或DMA在CPU或DMA未读取接收缓冲器中的数据时，会捕获下一个数据，导致前一个接收数据丢失。如果总线仲裁是Round-Robin方式，则很难发生超限运行，但如果是Cycle stealing或burst方式，CPU或DMA就不能使用总线，等待总线权的时间就会变得更长。在此期间，通信功能在接收到以下数据时会出现超限运行。在其他情况下也会发生超限。

在使用高速缓存的系统中，当DMA重写具有与高速缓存所具有的数据相同地址的主存储器时，高速缓存和主存储器的数据的一致性将丢失。

例如，当CPU将数据写入内存时，如果采用直通方式，则将数据写入高速缓存，同时也将相同的数据写入主内存。如果DMA错误地重写了主内存上的数据，则缓存数据和主内存数据将不同。之后，当CPU读取该数据时，缓存中的数据将被读取，并读取与主内存值不同的值。如果你有一个机制来保持缓存和DMA之间的一致性，但如果没有机制，用户必须管理数据的一致性。

STM32的DMA

关于STM32的DMA参考：STM32—DMA存储器到外设_Aspirant-GQ的博客-CSDN博客 

以下为引用内容：：

DMA(Direct Memory Access)——直接存储器存取，就像其名称一样，DMA的主要作用是搬数据，DMA可以把数据从存储器搬到外设、从外设搬到存储器、从存储器搬到存储器。DMA的特殊之处就是搬运数据不需要占用CPU，DMA控制器包含了DMA1和DMA2，其中DMA1由7个通道，DMA2有5个通道。
 

DMA框图

理解其工作框图：

功能框图主要分为三部分：

1.DMA请求
外设如果想要通过DMA传输数据，必先给DMA控制器发送DMA请求，DMA收到请求信号之后会传回给外设一个应答信号，当外设应答后且DMA控制器收到应答信号后，就会启动DMA的传输，直至传输完毕。但DMA有2个DMA控制器，15条通道，不同的通道对应着不同的外设请求，所以必须对通道和外设请求进行一一对口，各个通道对应的外设如下：

2.通道
要注意的是DMA共有12个独立可编程的通道，DMA1有7个、DMA2有5个，每个通道对应着不同的外设的请求，但同一时间只能接收一个。

3.仲裁器
当多个通道同时请求时，就要处理先后响应的问题，就像中断里的优先级分组一样。仲裁器管理DMA通道请求时主要依据俩点：
第一判断：在DMA_CCRx 寄存器中设置有 4 个等级：非常高、高、中和低，先根据此优先级判断响应的先后，如果优先级都一样，进行第二判断。
第二判断：比较通道的编号，编号越低优先权越高。

DMA传输数据分析

使用DMA，核心技术就是配置数据的传输，主要分为三点：
1.传输的方向
2.传输的数量
3.传输的模式

1.传输的方向
DMA有三种数据传输方向：
一：存储器——>外设
当我们使用从存储器到外设传输时，以串口向电脑端发送数据为例。 DMA 外设寄存器的地址对应的就是串口数据寄存器的地址， DMA 存储器的地址就是我们自定义的变量（相当于一个缓冲区，用来存储通过串口发送到电脑的数据）的地址。方向我们设置外设为目
标地址。
二：外设——>存储器
当我们使用从外设到存储器传输时，以 ADC 采集为例。 DMA 外设寄存器的地址对应的就是 ADC 数据寄存器的地址， DMA 存储器的地址就是我们自定义的变量（用来接收存储 AD 采集的数据）的地址。方向我们设置外设为源地址。
三：存储器——>存储器
当我们使用从存储器到存储器传输时，以内部 FLASH 向内部 SRAM 复制数据为例。DMA 外设寄存器的地址对应的就是内部 FLASH（我们这里把内部 FALSH 当作一个外设来看）的地址， DMA 存储器的地址就是我们自定义的变量（相当于一个缓冲区，用来存储来自内部 FLASH 的数据）的地址。方向我们设置外设（即内部 FLASH）为源地址。跟上面两个不一样的是，这里需要把 DMA_CCR 位 14： MEM2MEM：存储器到存储器模式配置为 1，启动 M2M 模式。

2.传输的数量
以串口向电脑发送数据为例，我们可以一次性给电脑发送很多数据，具体多少由DMA_CNDTR 配置，这是一个 32 位的寄存器，一次最多只能传输 65535 个数据。而且源和目标的数据宽度必须一致，数据宽度可以设置为8/16/32位。
除此之外，还要设置源和目标俩边数据指针的增量模式 ，即传输完一个数据后数据指针的移动模式，是加一？还是不变？以串口向电脑发送数据为例，要发送的数据很多，每发送完一个，那么存储器的地址指针就应该加 1，而串口数据寄存器只有一个，那么外设的地址指针就固定不变。

3.传输的模式
数据传输的情况可以通过查询标志位或者通过中断来鉴别，每个DMA通道在DMA传输过半、传输完成、传输错误时都会有相应的标志位，如果使能相关的中断后还会产生中断。一次数据传输完成后还分俩种模式：是一次传输还是循环传输。
一次传输： 传输一次后就停止，要想再传的话，必须关闭DMA使能后重新配置后方能继续传输。
循环传输： 一次传输完成后又恢复第一次传输时的配置循环传输，不断重复。

注：以下基于ADC和DAC来讲DMA。

完成功能：

1、通过DMA来测量电压数据；

2、通过DMA来输出正弦波形；

之前用的是普通的查询模式，可参考：

STM32实战总结：HAL之ADC_路溪非溪的博客-CSDN博客

STM32实战总结：HAL之DAC_路溪非溪的博客-CSDN博客

配置MX

先配置ADC的DMA。

手册中的简介：

ADC实现的是DMA的“从外设到存储器”

过程是这样的，输入的模拟量经过转换，存储在ADC_DR寄存器中，转换结束时产生DMA请求，DMA经过响应等过程后，将数据运输到储存器中（在程序中体现为一个变量地址）

开始配置：

ADC开启连续转换。

之前是单次转换模式，每次转换时都要重新打开ADC来采集，从而不断采集数据。设置成连续模式，则每次转换后不会关闭ADC，也就不用再次开启，而是接着转换。

DMA Settings中配置对应的DMA。

这里有几个地方需要注意。

1、DMA选择循环Circular模式。什么意思呢？这里的循环模式指的是，在一次运输过后，DMA不会被关闭，而是接着运输。

2、地址增长处，外设处是固定的寄存器，内存中就始终有一个变量去接收数据即可，都不必使能自动地址增长。

3、ADC是12位的，存放数据的寄存器是16位的，所以单次传送的数据宽度选择半字即可。

4、上面的优先级有Low/Medium/High/Very High，根据重要程度去选择即可。

开始配置DAC的DMA。

先看手册中的介绍。

根据上方红框中的说明可知，DAC的DMA必须要由外部触发，而不是软件触发。

另外，这里是从存储器到外设的DMA传输。

使能外部触发：

这几个DMA的通道选择是自动的。

为什么是自动的？上面我们讲过，DMA的通道是固定对应着某些外设的。如下表：

继续配置DMA选项：

因为输出一个正弦波，我们需要传输一个数组，所以，每次传输结束后内存地址都要自动+1

另外，既然要外部触发条件，那么，我们这里选择定时器7来触发（定时器6之前已经被用过了）。

配置定时器7：

先查看定时器7的框图：

TRGO配置成一个更新事件：

在定时器计时到了，产生更新事件时，就会触发DAC。

最后，再配置一下中断：

上述配置完成后，则默认会将DMA的中断进行强制打开（灰色代表是系统自行选择的），这里的两个中断的意思是，每次DMA传输完成后，就会产生一个中断通知CPU。因为DMA传输很快，又开了循环模式，所以如果开中断，将会不断地去通知CPU，导致无效地占用CPU。所以，从性能角度来考虑，将这两个中断取消。

先将上方强制选择的选项取消勾选，然后再取消勾选这两个。

注意：TIM7的时钟可以去掉。因为其是触发事件，没用到中断。

至此，完成了ADC和DAC的DMA配置。

在DMA菜单中，能看到配置的两个DMA信息

相对来说，还是比较麻烦的。

确认无误后，生成代码。

DMA相关库函数

ADC相关库函数

/* Non-blocking mode: DMA */
HAL_StatusTypeDef       HAL_ADC_Start_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc, uint32_t* pData, uint32_t Length);
HAL_StatusTypeDef       HAL_ADC_Stop_DMA(ADC_HandleTypeDef* hadc);

DAC相关库函数

HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_Start_DMA(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel, uint32_t *pData, uint32_t Length, uint32_t Alignment);
HAL_StatusTypeDef HAL_DAC_Stop_DMA(DAC_HandleTypeDef *hdac, uint32_t Channel);

这里面的*pData就是变量的指针，也就是DMA传输方向中的存储器。

程序编写

代码生成后，除了ADC和DAC相关文件，还多了dma.c和dma.h文件。

使用DMA函数来开启ADC。这里主要是要定义一个变量（内存），然后将数据放到变量中。

直接在之前的useracd.c里面修改。

static void GetVol(void)
{
    uint32_t adcResultNum = 0;
    
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, &adcResultNum, 1);
    
    HAL_Delay(1000);
    printf("value is %f\n\r", 3.3/4096*adcResultNum);
}

至于DAC：

定时器7启动；

DAC启动，传入要传输的变量的地址；

硬件自动完成，定时器7每100us会产生一个更新事件，同时会触发DMA，所以DAC每100us会输出一个数。具体可用示波器查看。此处代码略过。

补充说明 

按照我们以往的理解，DMA的作用就是在内存和外设之间搬运数据，引入了DMA，就可以解放CPU，让CPU可以干别的事情，这样的话，当数据量大的时候，CPU就不必阻塞在数据传输上了，可以对其他的行为给出及时的响应。

这里DMA的最大作用就是解放了CPU，然后DMA专心做数据搬运的事情。

但是，DMA来做这件事，就会比CPU来做这件事更快吗？也就是说，DMA工作方式虽然提高了CPU的效率，但也可以提高数据传送的速度吗？

这就好比一个经理很忙，然后找了个助手来专门写PPT，但是有个问题就是，助手可以让经理可以专心做别的事情，但是就写PPT这件事本身，助手专门来做会比经理自己来做更快吗？

首先，如果CPU又要做别的事情，又要来传输数据，那么DMA应该是比CPU快的，前者专心搬数据，后者三心二意搬数据；实际中，CPU总是不太会专心来做数据搬运的，所以实际情况下，DMA会比CPU更快。

但是，理想情况下，如果CPU没啥事需要干，专门来搬运数据，这种情况下和DMA谁更快呢？

这种情况下其实CPU更快。

DMA的速度受限于硬件外设的速度，硬件外设传输速度多快，DMA就多快，并不比CPU处理有更高的速度。

可以参考这篇文章

【深入探讨】DMA到底能不能起到加速程序执行的作用，DMA死等操作是否合理，多个DMA数 - 哔哩哔哩 (bilibili.com)

DMA其实可以当成一个只能搬运数据的小CPU核心，它最重要的意义是把CPU从搬运大量数据的任务里解放出来从而能干更多别的事比如数据处理。

DMA的意图不是要比CPU快，而是解放CPU，从而在有些情况下可以间接地提高批量数据的传输速度。

DMA方式中，CPU只需要进行初始化工作和扫尾工作，数据传输完全不需要CPU介入，而是由DMAC控制，这样CPU空出来可以做其他事情。

要记住，计算机里，计算机运算速度最快的一般就是CPU处理器，DMA再快也只是一个内部外设，外设的速度不可能比CPU更快。设计 DMA 并不是为了解决 CPU 拷贝数据过慢的问题，而是为了将 CPU 解放出来，使其尽量将精力放在其他任务中而已。

参考这篇文章：

CPU把时间花在“简单重复”的数据传输上太浪费，因此人设计了DMA (baidu.com)