8.DMA-为CPU减负

1DMA-为CPU减负1DMA功能简介DMA(DirectMemoryAccess)，直接存储器存取，是一种可以大大减轻CPU工作量的数据存取方式，因而被广泛地使用。早在8086的应用中，就已经有Intel的8237这种典型的DMA控制器。而STM32的DMA则是以类似外设的形式，添加到Cortex内核之外的。在硬件系统中，主要由CPU(内核)、外设、内存(SRAM)、总线等结构组成，数据经常要在内存与外设之间转移，或从外设A转移到外设B，或从内存C转移到内存D。例如：当CPU需要处理由ADC外设采集回来的数据时，CPU首先要把数据从ADC外设的寄存器读取到内存中(变量)，然后进行运算处理，这是一般的处理方法。在转移数据的过程中会占用CPU十分宝贵的资源，所以我们希望CPU更多地被用在数据运算或响应中断之中，而数据转移的工作交由其它部件完成。DMA正为CPU分担了数据转移的工作。因为DMA的存在，CPU被解放出来，它可以在DMA转移数据的过程中同时进行数据运算，响应中断，大大提高效率。直接存储器存取(DMA)用来提供在外设和存储器之间、外设与外设之间或者存储器和存储器之间的高速数据传输。无须CPU干预，数据可以通过DMA快速地移动，这就节省了CPU的资源来做其他操作。两个DMA控制器有12个通道(DMA1有7个通道，DMA2有5个通道)，每个通道专门用来管理来自于一个或多个外设对存储器访问的请求。还有一个仲裁器来协调各个DMA请求的优先权。DMA主要特性●12个独立的可配置的通道(请求)：DMA1有7个通道，DMA2有5个通道。●每个通道都直接连接专用的硬件DMA请求，每个通道都同样支持软件触发。这些功能通过软件来配置。●在同一个DMA模块上，多个请求间的优先权可以通过软件编程设置(共有四级：很高、高、中等和低)，优先权设置相等时由硬件决定(请求0优先于请求1，依此类推)。●独立数据源和目标数据区的传输宽度(字节、半字、全字)，模拟打包和拆包的过程。源和目标地址必须按数据传输宽度对齐。●支持循环的缓冲器管理●每个通道都有3个事件标志(DMA半传输、DMA传输完成和DMA传输出错)，这3个事件标志逻辑或成为一个单独的中断请求。●存储器和存储器间的传输●外设和存储器、存储器和外设之间的传输2●闪存、SRAM、外设的SRAM、APB1、APB2和AHB外设均可作为访问的源和目标。●可编程的数据传输数目：最大为655352DMA工作分析见上图STM32的系统结构，在这个图中，我们可以清晰地看到STM32内核、存储器、外设及DMA的连接。所有这些硬件结构最终都通过各种各样的线连接到总线矩阵之中，硬件结构之间的数据转移都经过总线矩阵的协调，使各个外设都能够和谐地使用总线来传输数据。例如：在不使用DMA的情况下，内核通过DCode经过总线矩阵协调，使用AHB把外设ADC采集的数据读取到内核，然后内核DCode再通过总线矩阵协调，把数据存放到内存SRAM中。DMA正好可以取代这样的工作。由DMA控制器的DMA总线与总线矩阵协调，使用AHB把外设ADC的数据经由DMA通道存放到内存SRAM。在这个数据传输的过程中，不需要内核的全程参与，所以，内核可以同时进行数据运算，而且，DMA的方式是点到点的数据转移，而不使用DMA的方式还要以内核来作为中转站，显然DMA的传输方式的效率更高。要使用DMA，需要确定一系列的控制参数，如外设数据的地址，内存地址，传输方向等，在开启DMA传输前还要先发出DMA请求。3#.3DMA处理在发生一个事件后，外设向DMA控制器发送一个请求信号。DMA控制器根据通道的优先权处理请求。当DMA控制器开始访问发出请求的外设时，DMA控制器立即发送给它一个应答信号。当从DMA控制器得到应答信号时，外设立即释放它的请求。一旦外设释放了这个请求，DMA控制器同时撤销应答信号。如果有更多的请求时，外设可以启动下一个周期。总之，每次DMA传送由3个操作组成：●从外设数据寄存器或者从当前外设/存储器地址寄存器指示的存储器地址取数据，第一次传输时的开始地址是DMA_CPARx（DMA通道x外设地址寄存器）或DMA_CMARx（DMA通道x存储器地址寄存器）寄存器指定的外设基地址或存储器单元。●存数据到外设数据寄存器或者当前外设/存储器地址寄存器指示的存储器地址，第一次传输时的开始地址是DMA_CPARx或DMA_CMARx寄存器指定的外设基地址或存储器单元。●执行一次DMA_CNDTRx寄存器的递减操作，该寄存器包含未完成的操作数目。#.4仲裁器仲裁器根据通道请求的优先级来启动外设/存储器的访问。优先权管理分2个阶段：●软件：每个通道的优先权可以在DMA_CCRx寄存器中设置，有4个等级：─最高优先级─高优先级─中等优先级─低优先级●硬件：如果2个请求有相同的软件优先级，则较低编号的通道比较高编号的通道有较高的优先权。举个例子，通道2优先于通道4。注意：在大容量产品和互联型产品中，DMA1控制器拥有高于DMA2控制器的优先级。#.5DMA通道每个通道都可以在有固定地址的外设寄存器和存储器地址之间执行DMA传输。DMA传输的数据量是可编程的，最大达到65535。包含要传输的数据项数量的寄存器，在每次传输后递减。#.5.1可编程的数据量外设和存储器的传输数据量可以通过DMA_CCRx寄存器中的PSIZE和MSIZE位编程。4#.5.2指针增量通过设置DMA_CCRx寄存器中的PINC和MINC标志位，外设和存储器的指针在每次传输后可以有选择地完成自动增量。当设置为增量模式时，下一个要传输的地址将是前一个地址加上增量值，增量值取决与所选的数据宽度为1、2或4。第一个传输的地址是存放在DMA_CPARx/DMA_CMARx寄存器中地址。在传输过程中，这些寄存器保持它们初始的数值，软件不能改变和读出当前正在传输的地址(它在内部的当前外设/存储器地址寄存器中)。当通道配置为非循环模式时，传输结束后(即传输计数变为0)将不再产生DMA操作。要开始新的DMA传输，需要在关闭DMA通道的情况下，在DMA_CNDTRx寄存器中重新写入传输数目。在循环模式下，最后一次传输结束时，DMA_CNDTRx寄存器的内容会自动地被重新加载为其初始数值，内部的当前外设/存储器地址寄存器也被重新加载为DMA_CPARx/DMA_CMARx寄存器设定的初始基地址。#.5.3通道配置过程下面是配置DMA通道x的过程(x代表通道号)：1.在DMA_CPARx寄存器中设置外设寄存器的地址。发生外设数据传输请求时，这个地址将是数据传输的源或目标。2.在DMA_CMARx寄存器中设置数据存储器的地址。发生外设数据传输请求时，传输的数据将从这个地址读出或写入这个地址。3.在DMA_CNDTRx寄存器中设置要传输的数据量。在每个数据传输后，这个数值递减。4.在DMA_CCRx寄存器的PL[1:0]位中设置通道的优先级。5.在DMA_CCRx寄存器中设置数据传输的方向、循环模式、外设和存储器的增量模式、外设和存储器的数据宽度、传输一半产生中断或传输完成产生中断。6.设置DMA_CCRx寄存器的ENABLE位，启动该通道。一旦启动了DMA通道，它既可响应连到该通道上的外设的DMA请求。当传输一半的数据后，半传输标志(HTIF)被置1，当设置了允许半传输中断位(HTIE)时，将产生一个中断请求。在数据传输结束后，传输完成标志(TCIF)被置1，当设置了允许传输完成中断位(TCIE)时，将产生一个中断请求。循环模式循环模式用于处理循环缓冲区和连续的数据传输(如：ADC的扫描模式)。在DMA_CCRx寄存器中的CIRC位用于开启这一功能。当启动了循环模式，数据传输的数目变为0时，将会自动地被恢复成配置通道时设置的初值，DMA操作将会继续进行。5存储器到存储器模式DMA通道的操作可以在没有外设请求的情况下进行，这种操作就是存储器到存储器模式。当设置了DMA_CCRx寄存器中的MEM2MEM位之后，在软件设置了DMA_CCRx寄存器中的EN位启动DMA通道时，DMA传输将马上开始。当DMA_CNDTRx寄存器变为0时，DMA传输结束。存储器到存储器模式不能与循环模式同时使用。错误管理读写一个保留的地址区域，将会产生DMA传输错误。当在DMA读写操作时发生DMA传输错误时，硬件会自动地清除发生错误的通道所对应的通道配置寄存器(DMA_CCRx)的EN位，该通道操作被停止。此时，在DMA_IFR寄存器中对应该通道的传输错误中断标志位(TEIF)将被置位，如果在DMA_CCRx寄存器中设置了传输错误中断允许位，则将产生中断。中断每个DMA通道都可以在DMA传输过半、传输完成和传输错误时产生中断。为应用的灵活性考虑，通过设置寄存器的不同位来打开这些中断。中断事件事件标志位使能控制位传输过半HTIFHTIE传输完成TCIFTCIE传输错误TEIFTEIE#.6DMA请求映像DMA1控制器从外设(TIMx[x=1、2、3、4]、ADC1、SPI1、SPI/I2S2、I2Cx[x=1、2]和USARTx[x=1、2、3])产生的7个请求，通过逻辑或输入到DMA1控制器，这意味着同时只能有一个请求有效。参见下图的DMA1请求映像。外设的DMA请求，可以通过设置相应外设寄存器中的控制位，被独立地开启或关闭。DMA2控制器从外设(TIMx[5、6、7、8]、ADC3、SPI/I2S3、UART4、DAC通道1、2和SDIO)产生的5个请求，经逻辑或输入到DMA2控制器，这意味着同时只能有一个请求有效。参见下图的DMA2请求映像。外设的DMA请求，可以通过设置相应外设寄存器中的DMA控制位，被独立地开启或关闭。6注意：DMA2控制器及相关请求仅存在于大容量产品和互联型产品中。7#.7和DMA相关的寄存器（共六个）DMA中断状态寄存器(DMA_ISR)DMA中断标志清除寄存器(DMA_IFCR)DMA通道x配置寄存器(DMA_CCRx)(x=1…7)DMA通道x传输数量寄存器(DMA_CNDTRx)(x=1…7)DMA通道x外设地址寄存器(DMA_CPARx)(x=1…7)DMA通道x存储器地址寄存器(DMA_CMARx)(x=1…7)#.8DMA实例之串口通信本小节以实例对STM32的DMA进行讲解，以DMA的方式使用串口发送数据。实际上是利用DMA把数据(数组)从内存转移到外设(串口)。我们知道，外设工作的时候，除了转移数据，实质是不8需要内核干预的，而数据转移的工作现在交给了DMA，所以在串口发送数据的时候，内核同时还可以进行其它操作，例如点亮LED灯。#.8.1实验描述及工程文件清单实验描述：利用DMA的方式，使用串口发送数据。并利用LED进行检验在使用DMA传输的过程中，内核是否可以同时进行其它的操作(点亮LED)。硬件连接：PA9-USART1(Tx)PA10-USART1(Rx)库文件：3.5版本固件库startup/start_stm32f10x_hd.cCMSIS/core_cm3.cCMSIS/system_stm32f10x.cFWlib/stm32f10x_gpio.cFWlib/stm32f10x_rcc.cFWlib/stm32f10x_usart.cFWlib/stm32f10x_dma.cFWlib/misc.c用户文件:USER/main.cUSER/stm32f10x_it.cUSER/usart1.c#.8.2.配置工程环境本串口DMA实验中我们用到了GPIO、RCC、USART、DMA外设，所以我们先要把以下库文件添加到工程stm32f10x_gpio.c、stm32f10x_rcc.c、stm32f10x_usart.c、stm32f10x_dma.c，本实验主要在usart1.c文件中添加DMA配置的代码，添加旧工程中的外设用户文件led.c、usart1.c，并在stm32f10x_conf.h中把相应的头文件的注释去掉。DMA例程的stm32f