stm32的dma工作原理（自学STM32-08）

作者：junziyang

---

（注：如非特別声明，以下笔记内容均针对stm32f103ZET6而言。不同型号，细节可能存在差别）

8.1 DMA简介

DMA是Direct memory access的简称，意为直接存储器访问，是一种提高数据传输速度，并在数据传输过程中为CPU减负的技术。常规的数据传输过程中，CPU要先将数据从存储器或外设的数据寄存器读取到缓存，然后再写入到目的地（存储器或外设数据寄存器）。DMA传输数据时则无需经CPU处理，而是直接将数据从一个地址复制到另一个地址，因此数据传输过程中极大地减少了对CPU资源的占用。

8.2 DMA的原理框图

stm32内置有两个DMA控制器，原理框图如图1所示。

图1. DMA原理框图

从图中可以看出，DMA1有7个通道，DMA2有5个通道，共有12个通道。DMA充当的是外设和存储器（内部SRAM，SD卡，FSMC接口的外部存储器）之间的桥梁，由外设发起DMA请求，实现数据在DMA控制下在外设和存储器，以及存储器和存储器之间传输。每个DMA通道都可以独立响应一到多个外设访问请求，由DMA内部的仲裁器（Arbiter）来管理DMA请求的优先级。DMA的主要特征包括：

• 每个通道都与专门的硬件DMA请求关联，支持软件触发和配置。
• 向同一个DMA各通道发出的多个请求，可由软件配置优先级。共支持4级：低、中、高、最高。优先级相同时，由硬件来管理，低编号通道的请求优先。
• 传输数据宽度可以为字节、半字或字。源和目标双方的数据宽度可以独立设置，传输过程类似于打包（源）和解包（目标）。源和目标地址必须按数据宽度对齐。
• 支持缓存区循环使用。
• 支持传输过半、传输完成、传输错误3个事件即相关的中断。这3个事件的标志位可以通过或操作，合成一个全局中断，即发生其中任何一个事件都会触发的中断。
• 支持3种模式：外设到存储器、存储器到外设，以及存储器到存储器的DMA传输。
• Flash、SRAM，APB1和APB2以及AHB的外设均可作为源或目标。
• 可编程设置数据传输个数，范围：0-65535。

8.3 DMA主要寄存器

任何外设的功能配置都是通过设置相关寄存器实现的。为了便于后续学习，将DMA相关的寄存器先列于此。DMA相关寄存器地址映射与复位值如图2所示。

图2. DMA相关寄存器地址映射与复位值表

前两个寄存器是DMA各个通道共用的寄存器，DMA_ISR（Interrupt Status Register）管理各个通道的中断状态标志，每个通道都有4个中断。DMA_IFCR（Interrupt Flag Clear Register）用来复位DMA_ISR的对应位。

后面的4个寄存器是各个通道专用的寄存器，也就是说每个通道都有4个这样的寄存器。DMA_CMAx后，地址偏移4个字节，然后排入下一个通道的4个寄存器，依次类推。

8.4 DMA主要功能及设置

DMA控制器是通过与内核共享总线来实现直接存储器访问的。总线矩阵通过轮询调度来管理CPU和DMA对总线的访问，一般会保证CPU对总线有至少一半的占用带宽。尽管如此，当出现CPU和DMA同时要访问同一个目标（存储器或外设）时，仍存在CPU对总线的访问被DMA请求妨碍几个总线时钟周期的可能。因此，程序中执行完DMA相关的指令后（例如HAL_ADC_START_DMA()），一般要适当延迟，然后再去读取DMA传输过去的数据，否则可能会出现数据读取错误的现象。

DMA的最大优点是可以独立于CPU去实现数据的传输，最好将DMA传输数据的过程和CPU对数据的处理过程分开。例如，ADC扫描模式下必须使用DMA，此时可将数据采集和数据处理分开，在一个循环中进行AD转换，DMA将数据存入数组；在另一个循环中再去访问数组中的数据并进行处理。而不是在一个循环中，触发ADC一次，立即去读数组中的数据，这样容易导致程序“跑飞”。

8.3.1 DMA传输过程

触发DMA的某个事件发生后，先由外设向DMA控制器发送请求信号。DMA控制器会按信道的优先级响应收到的请求。当DMA控制器访问外设时，会向外设发出应答信号。外设收到应答信号后立刻释放请求，进而DMA控制器立刻释放应答，并开始传输数据。如果有更多的请求，外设可以启动下一次传输。简而言之，一次DMA传输包括一下三个操作步骤：

• 从源地址载入数据：源可以是外设的数据寄存器或存储器。外设寄存器和存储器的基地址分别在DMA_CPARx （Channelx Peripheral Address Register）寄存器或DMA_CMARx（Channelx Memory Address Register）寄存器中设置。
• 向目标地址存储数据：目标同样可以是外设的数据寄存器或存储器。首地址也是在上述两个寄存器中设置。
• 计数递减：DMA_CNDTRx寄存器中设置的是待传输数据个数，每次传输完成，数值递减1。也就是说，传输数据个数是提前设置的，数据传输期间通过读此寄存器可以判断传输进度。

8.3.2 仲裁器

仲裁器Arbiter根据通道DMA请求的优先级设置，来依次启动对外设/存储器的访问。优先权的管理分两个阶段：

• 软件设置：通过DMA_CCRx寄存器的PL[1:0]位，可以为通道x设置优先级。2个寄存器位可以设置4级（低、中、高、最高），从00-11，值越大优先级越高。
• 硬件仲裁：软件设置优先级高的有效。如果软件设置的优先级相同，则低编号通道优先，这由硬件来仲裁。例如，若同时收到来自通道2和通道4优先级相同的请求，则通道2的请求优先。

上述是同一个DMA内部通道的优先级管理，由各自的仲裁器负责。另外，在有两个DMA的MCU中，在经Bus Matrix争取总线使用权的过程中，DMA1控制器的优先级高于DMA2的。

8.3.3 DMA的通道管理

用DMA来传输数据时，需要约定通道两端的地址、传输数据的宽度（字节/半字/全字）、待传输数据个数、数据传输模式、缓存使用方式等。

1. 通道设置步骤

通道配置的步骤如下：（x是通道编号）

• 设置外设的地址：DMA_CPARx寄存器。外设的地址一般是固定的，即外设DR寄存器的地址。
• 设置存储器地址：DMA_CMARx寄存器。一般是程序中一个数组的首地址。
• 设置待传输数据个数：DMA_CNDTRx寄存器。每次传输后该数值会递减1。
• 设置通道优先级：DMA_CCRx寄存器的PL[1:0]位。
• 通道参数设置：在DMA_CCRx寄存器中设置 - 传输方向（DIR位）、循环模式（CIRC位）、外设&存储器递增模式（PINC&MINC位）、外设&存储器数据宽度（PSIZE[1:0]&MSIZE[1:0]位），并按需使能中断（TCIE/HTIE/TEIE）。
• 激活DMA通道：DMA_CCRx的EN位。

DMA通道激活后即可响应来自外设的DMA请求了。

2. 循环模式

设置DMA_CCRx寄存器中的CIRC位为1可以开启循环模式。循环模式主要用来处理连续的数据流，例如ADC扫描模式中的连续数据采集。该模式下DMA_CNDTRx寄存器中的值递减到0后，会重新装载回初值，缓存也会被循环利用。

3. 存储器-存储器模式

除了实现外设-存储器间的数据传输，DMA模式也可以用来在两个存储器间传输数据。通过设置DMA_CRx寄存器中的MEM2MEM位即可开启存储器-存储器模式。无论是外设-存储器模式，还是存储器-存储器模式，本质上来说DMA都只是将数据从一个地址搬运到另一个地址。区别之处在于：外设地址通常是固定的，而存储器地址可以人为设置且可递增；外设可以发出DMA请求，而存储器间的数据传输需要通过软件设置DMA_CCRx寄存器的EN位来触发DMA。通信双方的首地址仍然是在CPARx和CMARx两个寄存器中设置，传输方向也是由CCRx寄存器中的DIR位设定。

存储器间的数据传输不要同时开启循环模式。DMA_CNDTRx寄存器递减到0，传输自动停止。

8.3.4 数据宽度与对齐问题

DMA支持按字节、半字或全字传输数据。如果双方的数据宽度相同，DMA只需将数据依次传输过去即可。但如果源和目标端的数据宽度不同，即PSIZE和MSIZE不相等，就涉及到传输过程中的数据对齐问题。

如果目标端数据宽度比源端大，则目标端接收数据后按右对齐存储，闲置高位补0。例如，源为8位，目标为32位，传输4个数据，传输过程和结果如下：

如果目标端数据宽度比源端小，则源端高位被截掉，仅传输目标端能容纳的低位。例如，源为32位，目标为16位，传输4个数据，传输过程和结果如下：

可见，无论哪种情况，DMA都是按源端的数据宽度读取数据，然后按目标端的数据宽度按右对齐写入数据的。目标端按自己的数据宽度和传输数据个数分配内存，传输过来的数据“多去少补，对号入座”。如果条件允许，尽量双方一致，尤其要避免“大筐倒小筐”。

注意：

对于不支持字节和半字写入的AHB外设，传入的字节或半字会从低位到高位重复填满总线数据寄存器HWDATA。例如0xAB在会被重复成0xABABABAB。这种情况下，如果从内存向寄存器写入数据，内存端MSIZE应该按存储器数据宽度设置，而外设端PSIZE则设为32bit。例如向APB备份寄存器（16位有效，但占32位地址）写入，MSIZE配置位16位，PSIZE配置位32位。

8.3.5 错误与中断管理

在DMA读/写预设地址的过程中，如果出现错误，硬件会自动关闭出错的通道，清除DMA_CCRx中的EN位，设置DMA_IFR中的TEIF（Transfer Error Interrupt Flag）中断标志位。如果开启了CCRx中的TEIE位，则会产生中断。

DMA传输过程中会设置3个中断标志位：传输过半（HTIF）、传输完成（TCIF）、传输出错（TEIF）。如果设置了中断使能位（TCIE/HTIE/TEIE），则会产生对应的中断。

8.3.6 DMA请求的通道映射

来自外设的DMA请求共有7类：TIMx[1,2,3,4], ADC1, SPI1, SPI/I2S2, I2Cx[1,2] 以及

USARTx[1,2,3]。这些请求被固定的映射到了DMA1的7个通道和DMA2的5个通道。DMA1的映射关系如图3所示。DMA2的映射关系如图4所示。

图3. DMA1的通道映射

图4. DMA2的通道映射

总结：

• 同一通道不同外设的DMA请求在进入DMA前是“或”的关系，即每次只能有1个外设可以占用该通道。
• 通道编号越低，硬件优先级越高。
• 每个通道都支持软件触发的MEM2MEM模式。
• 外设请求与通道的关系是固定的，不可通过编程改变。

8.4 DMA寄存器

DMA的寄存器非常简单，如图2所示。有2个公用寄存器：DMA_ISR和DMA_IFCR。每个通道还有4个专用寄存器：DMA_CCRx/CNDTRx/CPARx/CMARx。

8.4.1 DMA_ISR中断状态寄存器

DMA_ISR（Interrupt Status Register）用来管理DMA的中断状态。由硬件设置，软件清除（设置IFCR寄存器的对应位）。每个通道的4个中断占连续的4个位。从低到高依次为GIFx（全局中断标志）、TCIFx（传输完成中断标志）、HTIFx（传输过半中断标志）、TEIFx（传输错误中断标志）。每个通道实际只有3个中断，其中GIFx是其余3个标志位相“与”的结果，三者中任何一种中断事件发生，该位都会被置1。

8.4.2 DMA_IFCR中断状态清除寄存器

DMA_IFCR（Interrupt Flag Clear Register）用来清除ISR寄存器中的对应位，清除中断状态。ISR是只读的，中断发生时由硬件设置，要清除中断标志位，需要向DMA_IFCR寄存器的对应位写入1（写0无影响）。另外，向CGIFx写入1可以清除通道x所有的中断标志位。

8.4.3 DMA_CCRx通道配置寄存器

DMA_CCR（Channel x Configuration Register）用来配置通道x。各功能位作用如下：

• MEM2MEM[14] 1-使能存储器-存储器模式；0-关闭。
• PL[13:12] 通道优先级设置。00-11，共4级，数值越大优先级越高。
• MSIZE[11:10] 存储器端数据宽度。00-8bits；01-16bits；10-32bits；11-保留。
• PSIZE[9:8] 外设端数据宽度，配位逻辑同MSIZE。
• MINC[7] 1-开启内存端地址递增；0-关闭。
• PINC[6] 1-开启外设端地址递增；0-关闭。
• CIRC[5] 循环模式。1-开启循环模式；0-关闭；
• DIR[4] 数据传输方向。1-内存到外设；0-外设到内存。
• TEIE[3] 1-使能传输错误中断；0-关闭。
• HTIE[2] 1-使能传输过半中断；0-关闭。
• TCIE[1] 1-使能传输完成中断；0-关闭。
• EN[0] 1-使能通道；0-关闭。

8.4.4 DMA_CNDTRx数据个数寄存器

DMA_CNDTRx（Channel x Number of Data Register）用来存储待传输数据个数。每次传输数值递减1。非循环模式下，递减到0时DMA请求结束；循环模式下，递减凋0后会自动加载初值，继续DMA传输。

8.4.5 DMA_CPARx外设地址寄存器

DMA_CPARx（Channel x Peripheral Address Register）用来设置外设基地址。当PSIZE=01，即数据宽度为16位时，地址中的PA[0]位被忽略，数据自动对齐到半字地址；当PSIZE=10，即数据宽度为32位时，地址中的PA[1:0]位被忽略，数据自动对齐到字地址。

---

说明：

半字为16bits，即2个字节。字节是最小的存储单位，即每个地址存1个字节。地址0b000x-0b001x，间隔2个字节，恰为1个半字的空间。同理，0b01xx-0b02xx，间隔4个字节，即一个全字的空间，所以32位时忽略地址的末2位。

---

8.4.6 DMA_CMARx内存地址寄存器

DMA_CMARx（Channel x Memory Address Register）用来设置存储器（数组）基地址。DMA_CPARx和CMARx实际上就是两个地址存储器，用来存储源和目标的地址。MEM2MEM时存储的都是存储器中的地址。

8.5 HAL库DMA相关的函数

HAL库stm32f103xe.h中对DMA的通道地址进行了映射，可以通过通道宏名称，访问通道的CCR/CNDTR/CPAR/CMAR寄存器。DMA相关的库函数在stm32f1xx_hal_dma.h中声明，在stm32f1xx_hal_dma.c中定义。分类概述如下：

1. 初始化与复位函数

• HAL_DMA_Init()

DMA初始化函数。设置CCR寄存器中的PL/MSIZE/PSIZE/MINC/PINC/CIRC/DIR，共7个功能位。

• HAL_DMA_DeInit()

DMA复位函数。关闭DMA，然后清除CCR&CNDTR&CPAR&CMAR，清除hdma句柄中的中断函数，复位State状态机和ErrorCode。

2. 启动与停止函数

• HAL_DMA_Start()

启动DMA。函数中完成的工作包括：中断标志位清除、设置CNDTR、CPAR、CMAR。设置这些参数前必须先将CCRx的EN位置0（__HAL_DMA_DISABLE(hdma)），然后调用DMA_SetConfig()函数进行设置，设置完成后重新开启（__HAL_DMA_ENABLE(hdma)）。

• HAL_DMA_Start_IT()

以中断模式启动DMA。除完成HAL_DMA_Start()的工作外，还开启了3个中断使能位。

• HAL_DMA_Abort()

终止DMA传输。函数中完成的工作包括：关闭中断、关闭DMA通道、中断标志位清除（向IFCR中的CGIFx写入1）。

• HAL_DMA_Abort_IT()

终止DMA传输并触发相应的中断。

3. 状态查询函数

• HAL_DMA_PollForTransfer()

检查传输状态。通过轮询等待返回传输状态（传输过半/传输完成）标志。

• HAL_DMA_GetState()

查询DMA状态。返回DMA状态机的值，即hdma->State。

• HAL_DMA_GetError()

查询DMA错误。返回DMA错误代码，即hdma->ErrorCode。

4. 中断处理函数

• HAL_DMA_IRQHandler()

中断请求处理函数。根据hdma的中断设置，调用相应的回调函数（传输完成/过半/出错/终止）。回调函数需要用户自己编写，一般是在外设的HAL_PPP_Stat_DMA()函数中被关联到hdma的句柄。例如，HAL_ADC_Start_DMA()中会把HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback/HAL_ADC_ConvCpltCallback/HAL_ADC_ErrorCallback函数关联到DMA的句柄hdma。回调函数是weak函数，需要用户自己实现。

5. 宏库函数

• __HAL_DMA_ENABLE() 使能DMA（CCR->EN）
• __HAL_DMA_ENABLE_IT() 使能指定中断（CCR->*IE）
• __HAL_DMA_DISABLE() 关闭DMA
• __HAL_DMA_DISABLE_IT() 关闭指定中断
• __HAL_DMA_GET_IT_SOURCE() 查询中断源
• __HAL_DMA_GET_COUNTER() 查询计数寄存器CNDTRx

,