DMA —— 让 CPU “偷懒”的数据搬运工
1. 为什么需要 DMA？
想象一下：你有一个串口每 100μs 收到一个字节，需要用 CPU 把这个字节从串口数据寄存器搬到内存的缓冲区里。
- 没有 DMA 时：每次接收完成，串口中断触发 → CPU 读数据 → 存到数组 → 退出中断。如果数据速率很高（比如 2Mbps），CPU 大部分时间都在“搬砖”，根本没空做其他任务。
- 有 DMA 时：配置 DMA 通道自动把串口数据搬运到内存，完全不需要 CPU 插手，只在搬完一整个数据块后才产生一次中断通知 CPU。
DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）就是这样一个“硬件搬运工”：它可以在不占用 CPU的情况下，在内存与外设、内存与内存之间快速传输数据。
2. DMA 的核心工作原理
DMA 控制器本身是一个精简的“小 CPU”，它有：
- 源地址：从哪读数据（可以是外设数据寄存器，也可以是内存数组）。
- 目标地址：写到哪去。
- 传输计数器：还要传多少字节。
- 传输模式：单次、循环、增量/固定地址等。
基本流程：
- CPU 配置 DMA 通道（源地址、目标地址、数据长度、触发源等）。
- 使能 DMA。
- 当触发事件发生（比如串口收到一个字节），DMA 自动执行一次搬运：读源地址 → 写目标地址 → 计数器减 1。
- 计数器减到 0 时，DMA 产生传输完成中断（可选），通知 CPU 处理。
3. 在 STM32 中的应用场景
| 场景 | 作用 | 效果 |
|---|---|---|
| 串口（UART）接收 | DMA 将串口数据自动存入环形缓冲区 | CPU 只在收到一帧完整数据时才处理 |
| ADC 多通道扫描 | DMA 将 ADC 结果连续存入数组 | 可实现高频采样（几十 kHz）而 CPU 几乎零负担 |
| I2C/SPI 通信 | DMA 自动发送/接收数据块 | 配合 RTOS，通信任务可以阻塞直到 DMA 完成 |
| 内存拷贝 | 两个内存区域之间高速拷贝 | 比memcpy快，且不占用 CPU |
| 定时器 PWM 更新 | 用 DMA 自动修改多个 CCR 值 | 实现复杂的 LED 呼吸灯模式或波形输出 |
4. 关键概念：循环模式 vs 普通模式
- 普通模式：传输计数器减到 0 后停止，需要 CPU 重新配置才能再次启动。适合固定长度的数据块（比如发送一个 512 字节的传感器数据包）。
- 循环模式：计数器减到 0 后自动重装初始值，继续从头搬运。适合环形缓冲区（比如连续 ADC 采样）。STM32 的 DMA 循环模式需要配合FIFO或双缓冲区来防止数据覆盖。
5. 双缓冲区（Double Buffer）技巧
某些 STM32 的 DMA 支持双缓冲区（如 DMA2）。两个缓冲区交替使用：
- 当 DMA 正在填充缓冲区 0 时，CPU 可以处理缓冲区 1。
- 缓冲区满后，DMA 自动切换目标到另一个缓冲区，并触发中断通知 CPU 处理已满的那个。
这是实现无锁、零拷贝高吞吐数据流的标准方案。
6. 使用 DMA 的注意事项
- 数据一致性：如果 DMA 和 CPU 同时访问同一块内存，必须用
__DSB()屏障或关中断保护，防止 CPU 读到缓存中的旧数据（尤其在 Cortex-M7 带数据缓存时）。 - 对齐要求：某些 DMA 传输要求源/目标地址按字（4 字节）对齐，否则可能出错或降低效率。
- 通道冲突：多个外设可能共享同一个 DMA 通道（如 USART1_TX 和 SPI1_RX），需要合理分配优先级和仲裁。
- 中断优先级：DMA 传输完成中断通常设较低优先级，避免影响实时任务。
- 调试困难：DMA 在后台“偷偷”搬运，一旦配置错（如地址写反），现象很诡异（数据全零或错乱），需要仔细检查。
7. 代码示例（STM32 HAL）
// 配置 ADC1 用 DMA 连续采样 100 个值到数组#defineADC_BUFFER_SIZE100uint32_tadc_buffer[ADC_BUFFER_SIZE];ADC_HandleTypeDef hadc1;DMA_HandleTypeDef hdma_adc1;voidADC_DMA_Init(void){__HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();// 配置 DMA 通道hdma_adc1.Instance=DMA1_Channel1;hdma_adc1.Init.Direction=DMA_PERIPH_TO_MEMORY;hdma_adc1.Init.PeriphInc=DMA_PINC_DISABLE;// 外设地址固定（ADC_DR）hdma_adc1.Init.MemInc=DMA_MINC_ENABLE;// 内存地址递增hdma_adc1.Init.PeriphDataAlignment=DMA_PDATAALIGN_WORD;hdma_adc1.Init.MemDataAlignment=DMA_MDATAALIGN_WORD;hdma_adc1.Init.Mode=DMA_CIRCULAR;// 循环模式hdma_adc1.Init.Priority=DMA_PRIORITY_HIGH;HAL_DMA_Init(&hdma_adc1);__HAL_LINKDMA(&hadc1,DMA_Handle,hdma_adc1);// 启动 ADC 并开始 DMA 传输HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1,adc_buffer,ADC_BUFFER_SIZE);}之后，adc_buffer中的值会不断被更新，CPU 可以在主循环中读取最新数据，完全无感知。
总结
DMA 是嵌入式系统实现高吞吐、低 CPU 负载的关键技术。学会 DMA，你的程序就能从“忙得团团转”变成“悠然自得”。