DMA专题

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STM32F1系列结构

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  • AHB总线矩阵
  • ICode总线：访问Flash的代码段
  • DCode总线：访问Flash的只读数据段（常量、静态变量、全局变量）
  • System总线：访问整个内存空间，一般用于任意访存
  • AHB挂载4主3从
    • 主：DCode、System、DMA1、DMA2
    • 从：DCode2Flash、SRAM、AHB总线（包括AHB-APB1和AHB-APB2）
  • DMA数据流向
  • 外设->存储器：AHB/APB1/APB2总线->DMA通道->AHB总线矩阵->Flash或SRAM
  • 存储器->外设：Flash或SRAM->AHB总线矩阵->DMA通道->AHB总线矩阵->AHB/APB1/APB2总线

  • 存储器->存储器：Flash或SRAM->AHB总线矩阵->DMA通道->AHB总线矩阵->Flash或SRAM

  • DMA结构

  • 有多个DMA请求时，分配到对应的通道中，进行仲裁（先软件再硬件），最后按优先级执行通道传输
  • DMA请求源和分配的通道的映射是固定的，会有一张映射表

STM32F4系列结构

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  • AHB总线矩阵
  • image-20260120112912736

  • ICode总线：访问Flash的代码段

  • DCode总线：访问Flash的只读数据段（常量、静态变量、全局变量）

  • System总线：访问整个内存空间，一般用于访存

  • AHB总线矩阵：挂载了6主5从

    • 主：ICode、DCode、System、DMA1Memory、DMA2Memory、DMA2Peripheral
    • 从：ICode2Flash、DCode2Flash、SRAM、AHB总线（包括AHB-APB1和AHB-APB2）

  • DMA结构

  • DMA2挂载方式

    • 存储器端口：AHB总线矩阵
    • 外设端口：AHB总线矩阵、AHB-APB2
  • DMA1挂载方式
    • 存储器端口：AHB总线矩阵
    • 外设端口：AHB-APB2
  • DMA1与DMA2区别
    • 只有DMA2可以完成“存储器-存储器”的传输
    • DMA2速度比DMA1快
  • DMA的Stream结构
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    • 多个通道请求对应一个流请求
    • 有多个DMA流请求时，进行仲裁（先软件再硬件），最后按优先级执行stream传输
    • DMA流请求和分配的stream的映射是固定的，会有一张映射表
    • 流传输时，使用FIFO进行暂存
  • DMA的Burst传输
    • 一次Burst传输=多个DMA单次传输（这里的“多个”就是“Burst大小”）
    • 多个DMA单次传输可能会被打断，但一次Burst传输无法被CPU打断
    • 作用：让DMA独占AHB总线，实现DMA传输的原子操作

GPIO+DMA

  • GPIO输出数据原理：将占空比为$K_0$的周期波形记为比特0，将占空比为$K_1$的周期波形记为比特1。
  • GPIO输出数据的常见方式
  • 阻塞delay或关中断方式：软件控制GPIO翻转，会导致完全占用CPU

  • TIM输出可变占空比的PWM：每次输出完一个bit，就会产生一次更新中断，在中断中修改CCR，以产生下次的PWM波形，会导致切换上下文代价过大

  • 解决方法：TIM+DMA输出可变占空比的PWM

  • TIM每次输出完一个bit，不会更新中断（IT位），只会产生更新事件（FLAG位）作为DMA请求源，由DMA来更新CCR

USART串口+DMA

  • 常见使用方式的缺点
  • 轮询+单缓冲：CPU浪费；实时性差，若轮询间隔>串口字节间隔，会导致丢数据。
  • 串口字节中断+单缓冲：如果波特率高，会导致中断次数多，上下文切换代价太大。
  • DMA全满中断+单缓冲：若DMA接收间隔>DMA转移间隔，会导致缓冲区覆盖而丢数据。
  • 解决方法：DMA半满/全满中断+双缓冲+环形队列+串口空闲中断

  • 串口空闲中断

    • USART每次接收一个字节不会产生字节中断（IT位），而是产生字节事件（FLAG位）作为DMA请求源
    • 若串口空闲，代表该帧数据全部传完，此时才会触发一次中断，可以减少中断次数

  • DMA半满/全满中断+双缓冲+环形队列

    • 假设半满时接收到的数据量为$N_{half}$
    • 双缓冲（A-B buffer）：设置一个buffer[N]，将前$N_{half}$作为buf0，剩余部分作为buf1。一开始往buf0存，半满后会存储到buf1；全满时手动切换回buf开头，即存储到buf0。
    • 环形队列：由于双缓冲机制，会导致每次存储的数据长度不同，所以使用环形队列来存储不定长数据。

传输实现

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  • 第一种情况（触发空闲中断，未触发半满中断）：在空闲中断中将buf0拿到环形队列
  • 第二种情况（触发半满中断后，触发空闲中断，未触发全满中断）：先在半满中断中将buf0拿到环形队列，再在空闲中断中将buf1拿到环形队列
  • 第二种情况（触发半满中断后，触发全满中断）：先在半满中断中将buf0拿到环形队列，再在全满中断中将buf1拿到环形队列
  • getDMARemainSize()：返回DMA剩余空间
  • handledSize：已经处理过的数据量

  • pendingSize：待处理的数据量

  • 空闲中断函数

  • 计算pendingSize = getDMARemainSize() - handledSize
  • 将==buf[handledSize]之后==的==pendingSize大小的数据==放到环形缓冲区
  • 更新handledSize = handledSize + pendingSize
  • 半满中断函数：同理
  • 全满中断函数：同理，但需要将handledSize = 0（表示回到buf开头）

串口协议实现

  • 串口协议：帧LUT定义

  • 注册回调：回调函数的LUT定义、注册函数

```c // 回调函数LUT的表项定义 typedef struct{ FuncPtr handler, // 定义和handler相关的信息 } LUTItem; typedef LUTItem LUT;

// 回调函数LUT定义 FuncPtr handler1 = NULL; FuncPtr handler2 = NULL; FuncPtr handler3 = NULL; LUT lut[] = { {handler1,...}, {handler2,...}, {handler3,...}, };

// 注册函数定义 void CallbackRegister(int idx, FuncPtr newHandler){ lut[idx].handler = Handler; }

// 使用回调函数 void AnyFunc(...){ int lutSize = sizeof(lut)/sizeof(lut[0]); for(int i=0;i<lutSize;i++){ lut[i].handler(); } } ```

总结

  • 传输数据的进化过程
  • 轮询
  • 频繁产生中断
  • 频繁产生事件+DMA半满/全满中断+单缓冲区
  • 频繁产生事件+DMA半满/全满中断+双缓冲区+环形队列
  • 频繁产生事件+DMA半满/全满中断+双缓冲区+环形队列+DMA的Burst模式
中断系统 IAP与OTA