前言：現代 MCU 經常需要處理大量外設數據（ADC、UART、SPI、I²C 等），如果把這些數據搬運完全交給 CPU，會佔用大量 CPU 週期，降低系統響應能力。**DMA（Direct Memory Access，直接內存訪問）**就是解決這個問題的利器：它可以在不佔用 CPU 的情況下，把外設數據自動搬運到內存（或把內存數據搬到外設），顯著降低 CPU 負擔、提升實時性與吞吐量。

目錄

一、DMA 是什麼？為什麼要用？

二、DMA 的總體架構

三、DMA 的典型傳輸方向與使用場景

四、DMA 的關鍵配置項與概念

五、DMA 的工作時序與中斷

六、常見誤區與調試要點

七、性能注意事項與優化建議

八、ADC+DMA

一、DMA 是什麼？為什麼要用？

DMA 的本質：一個硬件控制器，負責在外設寄存器、內存和外設之間直接搬運數據，搬運過程中 CPU 不參與數據逐字節拷貝（但仍需做配置和處理完成後的邏輯）。

主要優點：

  • 降低 CPU 佔用：尤其適合大量或高速數據採集（如音頻、傳感器陣列、圖像流等）。
  • 更穩定的實時性：減少中斷頻率或避免中斷上下文開銷。
  • 更高吞吐量：硬件搬運比軟件循環拷貝更快、更節省總線帶寬。

適用場景舉例：ADC 多通道高速採樣、UART 大量數據接收、SPI 快速數據傳輸、內存到內存的批量拷貝、PWM 波形輸出緩衝等。

二、DMA 的總體架構

  • STM32F1 系列通常有 DMA1（個別器件還有 DMA2）。
  • DMA 被劃分為 通道（Channel），每個通道映射到一個或多個外設事件（例如 ADC、USART、SPI 等）。通道數量有限（例如 DMA1 通常有 7 個通道）。
  • 每個通道有自己的配置寄存器，控制源/目的地址、方向、數據寬度、優先級、傳輸長度、模式（循環/普通）等。
  • DMA 與外設通過**請求映射（request mapping）**關聯：某個外設觸發數據準備（如 ADC EOC），會產生 DMA 請求到對應通道。

STM32中DMA的使用入門_51CTO博客_#單片機

三、DMA 的典型傳輸方向與使用場景

  • 外圍設備 → 內存（Peripheral-to-Memory）
    場景：ADC 將轉換結果推送到內存、USART RX 接收數據寫內存。是最常見的用於數據採集的方向。
  • 內存 → 外圍設備（Memory-to-Peripheral）
    場景：從一個內存緩衝區把數據寫到 DAC、UART TX、SPI TX（比如發送音頻或圖像數據）。
  • 內存 → 內存（Memory-to-Memory）
    場景：大塊內存數據搬運（在 F1 上支持有限，注意映射與配置）。用於緩衝區複製、DMA 驅動的塊傳輸等。
  • 雙向 / 循環模式（實際是模式選擇）
    循環（Circular）適合連續流數據採集；普通（Normal）適合一次性傳輸。

四、DMA 的關鍵配置項與概念

  • 源地址（Peripheral address）與目的地址（Memory address）
    DMA 在搬運時會從源地址讀取數據並寫到目的地址；比如 ADC->內存: 源=ADC_data_register，目的=緩衝區首地址。
  • 傳輸方向（Direction）：見上一節。
  • 傳輸長度（Number of Data）：要搬運的數據項個數（不是字節數，依賴數據寬度）。
  • 數據寬度（Peripheral & Memory Data Size）：常見為 8-bit、16-bit、32-bit。ADC（12-bit）一般使用 16-bit 寬度（half-word），UART 通常用 8-bit。數據寬度必須匹配硬件與緩衝格式。
  • 地址遞增（Peripheral increment / Memory increment）：是否在每次傳輸後自動增加地址。外設寄存器通常禁用地址遞增（固定地址），內存緩衝通常啓用遞增。
  • 傳輸模式（Normal / Circular）：
  • Normal：完成指定數量傳輸後停止並觸發完成中斷。
  • Circular：完成後自動重新開始（圍繞緩衝區），適合連續採樣。
  • 優先級（Priority）：在多通道競爭 DMA 總線時決定搶佔順序（高優先級通道更早獲得總線）。
  • 中斷/標誌：半傳中斷（Half Transfer）、傳輸完成中斷（Transfer Complete）、傳輸錯誤中斷。半傳在循環模式下非常有用——可以實現“前半緩衝處理同時後半緩衝接收”的方案。

五、DMA 的工作時序與中斷

  • 啓動步驟（概念層面）：
  1. 配置 DMA（源/目地址、長度、寬度、遞增、模式、優先級）。
  2. 配置外設（使能外設 DMA 請求，比如 ADC_DMACmd）。
  3. 使能 DMA 通道與相關中斷（如果需要）。
  4. 啓動外設觸發（ADC 軟件觸發或定時器觸發），數據開始流入緩衝區。
  • 半傳中斷（HT）與傳輸完成中斷（TC）：
    在循環模式下，半傳中斷可以觸發處理已填滿的緩衝區一半數據，而 DMA 繼續寫入另一半；傳輸完成中斷則表示一輪緩衝寫滿。利用這兩個事件可以實現無縫“生產者-消費者”模式。
  • 錯誤處理：DMA 也可能產生傳輸錯誤（比如總線錯誤），要有相應的檢測與恢復策略（重啓 DMA、報警等）。

六、常見誤區與調試要點

  • 誤區：DMA 一開就萬事大吉
    DMA 確實減輕 CPU，但錯誤配置（地址錯誤、長度錯誤、寬度不匹配）會導致數據錯位、溢出或硬件掛起。調試時重點檢查外設數據寄存器地址、數據寬度和內存緩衝區大小。
  • 誤區：半傳中斷和全傳中斷二者可互相替代
    半傳中斷用於“流式處理”更低延遲；若只用全傳中斷，會在緩衝寫滿後才處理，可能加大延遲。
  • 調試技巧：
  • 先用短緩衝進行功能驗證（例如 4 個採樣點）；
  • 打開半傳/全傳中斷並在 ISR 中簡單翻轉 IO（示波器觀察）確認觸發節奏；
  • 檢查 DMA 優先級與競爭關係；
  • 確認內存對齊（16-bit/32-bit）與 CPU 訪問不會引起未對齊故障。
  • 跨域緩存問題（高級）：F1 的 Cortex-M3 沒有數據緩存問題，然而在更高端系列（如 Cortex-M7）需要考慮 D-cache 與 DMA 的一致性：使用緩存刷新/失效或使用不可緩存內存區。

STM32中DMA的使用入門_51CTO博客_數據_02

七、性能注意事項與優化建議

  • 選擇合適的數據寬度：儘量讓外設與內存寬度匹配，減少額外的對齊/移動操作（例如 ADC 用 16-bit 存儲）。
  • 優先級與通道分配：把關鍵通道設高優先級；避免多個高頻外設共享同一 DMA 通道。
  • 中斷開銷最小化：把處理儘量放到任務或主循環，不在 ISR 中做大量計算；使用半傳中斷只做標記並在主循環處理。
  • 使用循環模式處理持續數據流：比如 ADC 連續採樣或串口持續接收，循環模式可以避免頻繁重啓 DMA。
  • 考慮緩衝大小權衡：小緩衝降低延遲但增加中斷頻率；大緩衝降低中斷負擔但增加響應延遲。

八、ADC+DMA

  • 當需要實時採集多通道數據（如傳感器陣列、音頻採樣、振動分析等）時，CPU 去輪詢或處理中斷會消耗大量計算資源，甚至跟不上數據速率。
  • ADC + DMA 可以實現：ADC 將轉換結果自動寫入內存緩衝區，CPU 僅在緩衝半滿或滿時處理數據，極大提高效率與實時性。

配置流程：

  • 設計緩衝區：為採樣結果準備好連續的內存數組（例如 uint16_t buffer[NUM_SAMPLES];）。通常選擇 16-bit 單元來保持 ADC 的 12-bit 數據。
  • 配置 ADC：
  • 打開 ADC 時鐘，設置採樣時間、分辨率（12-bit）、觸發模式（軟件或定時器觸發）、掃描模式（若為多通道自動掃描）。
  • 對於多通道自動採樣，啓用掃描模式並在序列寄存器中設置通道順序。
  • 配置 DMA（外設 → 內存）：
  • 源地址：ADC 數據寄存器地址（固定）；目的地址：緩衝區首地址；
  • 數據寬度：一般選擇 16-bit（half-word）；
  • 內存地址遞增：啓用；外設地址遞增：禁用；
  • 模式：如果是持續採樣（例如定時器觸發連續採樣），選擇 Circular（循環） 模式；若是一次性採集選擇 Normal。
  • 啓用半傳/全傳中斷（根據需要）。
  • 把 ADC 的 DMA 請求打開（告訴 ADC 在 EOC 時發出 DMA 請求，讓 DMA 自動搬運數據）。
  • 啓動 ADC（與觸發器）與 DMA 通道：在正確的時序下啓動 DMA，然後啓動 ADC & 觸發（如果用定時器觸發，啓動定時器）。
  • 在中斷/任務中處理數據：
  • 如果使用循環模式並啓用了半傳/全傳中斷：在半傳中斷中處理緩衝區前半，在全傳中斷中處理後半；處理完後繼續讓 DMA 循環寫入。
  • 如果使用普通模式：在傳輸完成中斷中處理整個緩衝區並可重新配置/重啓 DMA。

下一章節將詳細講解代碼部分。

STM32中DMA的使用入門_51CTO博客_數據_03