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江协科技STM32学习- P23 DMA 直接存储器存取

news 2024/10/29 2:10:10

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引用：

STM32入门教程-2023版细致讲解中文字幕_哔哩哔哩_bilibili

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stm32学习笔记-作者: Vera工程师养成记

stem32江科大自学笔记-CSDN博客

术语：

英文缩写	描述
GPIO：General Purpose Input Onuput	通用输入输出
AFIO：Alternate Function Input Output	复用输入输出
AO：Analog Output	模拟输出
DO：Digital Output	数字输出
内部时钟源 CK_INT：Clock Internal	内部时钟源
外部时钟源 ETR：External clock	时钟源 External clock
外部时钟源 ETR：External clock mode 1	外部时钟源 Extern Input pin 时钟模式1
外部时钟源 ETR：External clock mode 2	外部时钟源 Extern Trigger 时钟模式2
外部时钟源 ITRx：Internal trigger inputs	外部时钟源，ITRx （Internal trigger inputs）内部触发输入
外部时钟源 TIx：external input pin	外部时钟源 TIx （external input pin）外部输入引脚
CCR：Capture/Comapre Register	捕获/比较寄存器
OC：Output Compare	输出比较
IC：Input Capture	输入捕获
TI1FP1：TI1 Filter Polarity 1	Extern Input 1 Filter Polarity 1，外部输入1滤波极性1
TI1FP2：TI1 Filter Polarity 2	Extern Input 1 Filter Polarity 2，外部输入1滤波极性2
DMA：Direct Memory Access	直接存储器存取

正文：

0. 概述

从 2024/06/12 定下计划开始学习下江协科技STM32课程，接下来将会按照哔站上江协科技STM32的教学视频来学习入门STM32 开发，本文是视频教程 P2 STM32简介一讲的笔记。

定时器共四个部分，分为八个小节笔记。本小节为第一部分第一节。

🌳在第一部分，是定时器的基本定时的功能：定时中断功能、内外时钟源选择

🌳在第二部分，是定时器的输出比较功能，最常见的用途是产生PWM波形，用于驱动电机等设备

🌳在第三部分，是定时器的输入捕获功能和主从触发模式，来实现测量方波频率

🌳在第四部分，是定时器的编码器接口，能够更加方便读取正交编码器的输出波形，编码电机测速

1.🚢DMA

本节我们来学习DMA，直接存储器存取。

😎DMA是一个数据转运小助手，它主要是用来协助CPU完成数据转运的工作。

2.🚢DMA的简介

DMA（Direct Memory Access）直接存储器存取，或者叫直接存储器访问；

🦄从这个DMA名字的意思来看，DMA这个外设是可以直接访问STM32内部的存储器的，包括运行内存SRAM、程序存储器flash和寄存器等等，DMA都有权限访问它们，所以DMA才能完成数据转运的工作。

🦄DMA可以提供外设和存储器或者存储器和存储器之间的高速数据传输，无须CPU干预，节省了CPU的资源

🦄这里外设指的就是外设寄存器，一般是外设的数据寄存器DR、Data、 Register。比如ADC的数据寄存器、串口的数据寄存器等等。

🦄这里存储器指的就是运行内存SRAM和程序存储器flash，是我们存储变量数组和程序代码的地方，在外设和存储器或者存储器和存储器之间进行数据转运，就可以使用DMA来完成。并且在转运的过程中，无需CPU的参与，节省了CPU的资源，CPU省下时间就可以干一些其它的更加专业的事情，搬运数据这种杂活交给DMA就行了。

🦄12个独立可配置的通道： DMA1（7个通道）， DMA2（5个通道）

🦄这个通道就是数据转运的路径，从一个地方移动到另一个地方，就需要占用一个通道。如果有多个通道进行转运，那它们之间可以各转各的互不干扰，这就是DMA的通道。

🦄每个通道都支持软件触发和特定的硬件触发

🦄如果DMA进行的是存储器到存储器的数据转运。比如我们想把flash里的一批数据转运到SRAM里去，那就需要软件触发了。

🦄使用软件触发之后，DMA就会一股脑地把这批数据以最快的速度全部转运完成。这也是我们想要的效果。

🦄那如果DMA进行的是外设到存储器的数据转运，就不能一股脑地转运了。因为外设的数据是有一定时机的。所以这时我们就需要用硬件触发，比如转运ADC的数据。那就得ADC每个通道AD转换完成后，硬件触发一次DMA，之后DMA再转运，触发一次，转运一次，这样数据才是正确的，才是我们想要的效果。

🦄所以存储器到存储器的数据转运，我们一般使用软件触发，外设到存储器的数据转运，我们一般使用硬件触发。

🦄特定的硬件触发意思就是每个DMA的通道，它的硬件触发源是不一样的。你要使用某个外设的硬件触发源，就得使用它连接的那个通道，而不能任意选择通道

🦄STM32F103C8T6 DMA资源：DMA1（7个通道）

🦄我们这个芯片只有DMA1的七个通道，没有DMA2。

3.🚢存储器映像

既然DMA是在存储器之间进行数据转运的，那我们就应该要了解一下STM32中都有哪些存储器，这些存储器又是被安排到了哪些地址上，这就是存储器映像的内容。

计算机系统的五大组成部分是运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中运算器和控制器一般会合在一起，叫做CPU。

所以计算机的核心关键部分就是CPU和存储器。存储器又有两个重要知识点，一个是存储器的内容，另一个就是存储器的地址。那STM32也不例外，这个表就是STM32中所有类型的存储器和它们所被安排的地址。

在这个表里，无论是flash还是SRAM，还是外设寄存器，它们都是存储器的一种。外设寄存器实际上也是存储器。我们前面这里说的是外设到存储器、存储器到存储器本质上其实都是存储器之间的数据转运。说成外设的存储器，只不过是STM32特别指令可以转运外设的存储器而已。

在上表里，存储器总共分成两大类ROM和RAM。

ROM 就是只读存储器，是一种非易失性、掉电不丢失的存储器；

RAM就是随机存储器，是一种易失性、掉电丢失的存储器。

其中ROM分为了三块：

第一块是程序存储器flash，也就是主闪存。它的用途就是存储C语言编译后的程序代码，也就是我们下载程序的位置，运行程序一般也是从主闪存里面开始运行的。这一块存储器STM32给它分配的起始地址是0x0800 0000。然后剩余字节的地址依次增长，每个字节都分配一个独一无二的地址。终止地址取决于它的容量编到哪里，哪里就是终止地址，这就是主闪存的地址范围。之后如果在软件里看到某个数据的地址是0x0800开头的，那就可以确定它是属于主闪存的数据。
接着下面两块系统存储器和选项字节，这两块存储器也是ROM的一种，掉电不丢失。实际上它们的存储介质也是flash，只不过是我们一般说flash指的是主闪存flash，而不是指系统存储器和选项字节。它们的地址都是0x1FFF开头的，紧跟着0x2000开头的就是RAM区。

所以可以看出系统存储器和选项字节这两块存储器的位置是在ROM区的最后面。

系统存储器的用途是存储BootLoader，用于串口下载，程序存储的位置就被分配到BootLoader。BootLoader程序是芯片出厂自动写入的，一般也不允许我们修改。

选项字节是用于存储一些独立于程序代码的配置参数。它的位置是在ROM区的最后面。下载程序可以不刷新选项字节的内容，这样选项字节的配置就可以保持不变。选项字节里存的主要是flash的读保护，写保护，还有看门狗等等的配置。

然后我们看一下RAM区。

首先是运行内存SRAM分配的地址是0x2000 0000，用途是存储运行过程中的临时变量，也就是我们在程序中定义变量、数组、结构体的地方。你可以试一下定义一个变量，再取它的地址显示出来。那这个地址肯定就是0x2000开头的。类比于电脑的话，运行内存就是内存条。
然后RAM区剩下的还有外设寄存器，它的地址是0x4000 0000这块区域，用途是存储各个外设的配置参数，也就是我们初始化各个外设最终所读写的东西。

刚才我们说了，外设寄存器也是存储器的一种。它的存储介质其实也是SRAM，只不过我们一般习惯把运行内存叫SRAM，外设寄存器就直接叫寄存器。
内核外设寄存器，地址是0xE000 0000这片区域，用途是存储内核各个外设的配置，参数内核外设就是NVIC和SysTick。因为内核外设和其它外设不是一个厂家设计的，所以它们的地址也是被分开了。内核外设是0xE000，其它外设是0x4000 。

以上这些就是STM32里的存储器和它们被安排的地址。

接下来我们看一下数据手册中的这张图（对应上面的表格）

在STM32中所有的存储器都被安排到了0~0xFFFF FFFF这个地址范围内

因为CPU是32位的，所以寻址范围就是32位的范围。32位的寻址范围是非常大的，最大可以支持4GB容量的存储器。而我们STM32的存储器都是KB级别的。所以这个4GB的寻址空间会有大量的地址都是空的，算一下地址的使用率还不到百分之一。

在这个图里，灰色填充的就是reserve的区域，也就是保留区域，没有使用到。

0地址实际上也是没有存储器的，它这里写的是别名到flash或者系统存储器取决于boot引脚。

因为程序是从0地址开始运行的，所以这里需要把我们想要执行的程序映射到零地址来。如果映射在flash区，就是从flash执行。

如果映射在系统存储器区，就是从系统存储器运行BootLoader。

如果映射到SRAM，就是从SRAM启动。

怎么选择由BOOT0和BOOT1两个引脚来决定，这就是0地址里的别名区。

剩下的0x0800开始的flash区，用于存储程序代码。

0x1FFF开始的系统存储器和选项字节是在ROM区的最后面。

0x2000开始的是SRAM区，0x4000开始的是外设寄存器

这里面可以展开，就是右边这些东西

每个外设又有它们自己的起始地址，比如TIM2的地址是0x4000 0000。

然后外设地址里面又可以具体细分到每个寄存器的地址、寄存器里每个字节的地址，最终所有字节的地址就都可以算出来了。

最后上面这里0xE000开始的区域存放在就是内核里面的外设寄存器。

接下来我们来看一下DMA的框图。

4.🚢DMA框图

这个框图我们在第一节STM32的系统结构里也见过一个类似的。

左上角这里是Cortex-M3内核里面包含了CPU和内核外设等等。

剩下的所有东西都可以把它看成是存储器。

🤠所以这个框图总共就是CPU和存储器两个东西。
🤠flash是主闪存，SRAM是运行内存，各个外设都可以看成是寄存器，也是一种SRAM存储器，因为寄存器是一种特殊的存储器。

一方面，CPU可以对寄存器进行读写，就像读写运行内存一样。另一方面，寄存器的每一位背后都连接了一根导线，这些导线可以用于控制外设电路的状态，比如置引脚的高低电平、导通和断开开关、切换数据选择器或者多位结合起来，当做计数器，数据寄存器等等。

🤠所以寄存器是连接软件和硬件的桥梁。软件读写寄存器，就相当于在控制硬件的执行，所以我们可以把外设抽象成一个个寄存器，CPU控制外设本质上就是读写寄存器。

既然外设就是寄存器，寄存器就是存储器，那使用DMA进行数据转运，就都可以归为一类问题了，就是从某个地址取内容再放到另一个地址去。

我们看向上面的框图，为了高效有条理的访问存储器，这里设计了一个总线矩阵。总线矩阵的左端是主动单元，也就是拥有存储器的访问权。右边这些是被动单元，它们的存储器只能被左边的主动单元读写。

主动单元这块，内核有DCode和系统总线，可以访问右边的存储器，其中DCode的总线是专门访问flash的，系统总线是访问其它东西的。

另外，由于DMA要转运数据，所以DMA也必须要有访问的主动权。那主动单元除了内核CPU，剩下的就是DMA总线了。这里DMA1有一条DMA总线，DMA2也有一条DMA总线。下面还有一条是以太网外设自己私有的DMA总线，这个可以不用管。

在DMA1和DMA2里面可以看到DMA1有七个通道，,DMA2有五个通道，各个通道可以分别设置它们转移数据的原地址和目的地址。这样它们就可以各自独立的工作了。

接着下面这里有个仲裁器。这个是因为虽然多个通道可以独立转运数据，但是最终DMA总线只有一条。所以所有的通道都只能分时复用这一条DMA总线，如果产生了冲突，那就会由仲裁器根据通道的优先级决定谁先用谁后用。

另外在总线矩阵里也会有个仲裁器，如果DMA和CPU都要访问同一个目标，那么DMA就会暂停CPU的访问，以防止冲突。不过总线仲裁器仍然会保证CPU得到一半的总线带宽，使CPU也能正常的工作。这就是仲裁器的作用。

后继续看下面这里是AHB从设备，也就是DMA自身的寄存器。因为DMA作为一个外设，它自己也会有相应的配置寄存器。这里连接在了总线右边的AHB总线上。所以，DMA既是总线矩阵的主动单元，可以读写各种存储器，也是AHB总线上的被动单元。

CPU通过这一条线路就可以对DMA进行配置了。

接着继续看，这里是DMA请求，请求就是触发的意思。这条线路右边的触发源是各个外设，所以这个DMA请求就是DMA的硬件触发源。

比如ADC转换完成，串口接收到数据，需要触发DMA转运数据的时候，就会通过这条线路向DMA发出硬件触发信号。之后DMA就可以执行数据转运的工作了，这就是DMA请求的作用。

到这里，有关DMA的结构就讲的差不多了。

总结DMA的结构其中包括：

🤠用于访问各个存储器的DMA总线；
🤠内部的多个通道可以进行独立的数据转运；
🤠仲裁器用于调度各个通道，防止产冲突；
🤠AHB从设备用于配置DMA参数；
🤠DMA请求用于硬件触发DMA的数据转移。

这就是这个DMA的各个部分和作用。

最后再额外说一个问题，就是这里的flash它是ROM只读存储器的一种，如果通过总线直接访问的话，无论是CPU还是DMA，都是只读的，只能读取数据，而不能写入。如果你DMA的目的地址填写在flash的区域，那转运时就会出错。这个注意一下。

当然flash也不是绝对的不可写入，我们可以配置这个flash接口控制器对flash进行写入，这个流程就比较麻烦了，要先对flash按页进行擦除，再写入数据。不过这是另一个课题了，这里就不再讨论。

总之就是CPU或者DMA直接访问flash的话，是只可以读而不可以写的。

SRAM是运行内存，可以任意读写。

外设寄存器得看参考手册里面的描述，有的寄存器是只读的，有的寄存器是只写的。不过我们主要用的是数据寄存器，数据寄存器都是可以正常读写的。

5.🚢DMA基本结构图

刚才的框图只是一个笼统的结构图，对于DMA内部的执行细节，它还是没体现出来。如果想编写代码，实际去控制DMA的话，就按下图来。

图中这两部分就是数据转运的两大站点，左边是外设寄存器站点，右边是存储器站点包括flash和SRAM。

在STM32手册里所说的存储器，一般是特指flash和SRAM，不包含外设寄存器。外设寄存器一般直接被称作外设，所以就是外设到存储器，存储器到存储器这样来描述。虽然我们刚才说了，寄存器也是存储器的一种，但是STM32还是使用了外设和存储器来作为区分，注意一下描述方法的不同。

看图中的箭头方向就知道DMA的数据转运可以是从外设到存储器，也是可以从存储器到外设，具体是向左还是向右，有一个方向的参数可以进行控制。

另外还有一种转运方式，就是存储器到存储器，比如flash到SRAM或者SRAM到SRAM这两种方式。

由于flash是只读的，所以DMA不可以进行SRAM到flash或者flash到flash的转移操作。

然后我们继续看这两边的参数，既然要进行数据转运，那肯定就要指定从哪里转到哪里，具体怎么转，所以外设和存储器两个站点就都有三个参数。

🤠第一个是起始地址，有外设端的起始地址和存储器端的起始地址，这两个参数决定了数据是从哪里来到哪里去的。

🤠第二个参数是数据宽度，这个参数的作用是指定一次转运要按多大的数据宽度来进行。它可以选择字节Byte、半字HalfWord和字word。字节就是八位，也就是一次转用一个uint8_t这么大的数据；半字是十六位，就是一次转用一个uint16_t；字是32位，就是一次转用uint32_t。比如转运ADC的数据，ADC的结果是uint16_t这么大，所以这个参数就要选择半字一次转运。

第三个参数是地址是否自增，这个参数的作用是指定一次转运完成后，下一次转运是不是要把地址移动到下一个位置去，这就相当于是指针p++这个意思，比如ADC扫描模式，用DMA进行数据转运。外设地址是ADC_DR寄存器，寄存器这边显然地址是不用自增的，如果自增，那下一次转运就跑到别的寄存器那里去了。存储器这边地址就需要指针，每转运一个数据后，就往后挪个坑，要不然下次再转，就把上次的覆盖掉了，这就是地址是否自增的作用，就是指定是不是叫转运一次挪个坑这个意思。

如果要进行存储器到存储器的数据转运，那我们就需要把其中一个存储器的地址放在外设的这个站点，这样就能进行存储器到存储器的转运了。

只要在外设起始地址里写flash或者SRAM的地址，那它就会去flash或SRAM找数据。

这个站点虽然叫外设存储器，但是它就只是个名字而已。并不是说这个地址只能写寄存器的地址。如果写flash的地址，那它就会去flash里，找写SRAM，它就会去SRAM里找，这个没有限制。甚至你可以在外设站点写存储器的地址，存储器站点写外设的地址，然后方向参数给反过来，这样也是可以的，只是ST公司给它起的这样的名字而已。你也可以把它叫做站点A，站点B，不必拘泥于它写的外设站点和存储器站点这个名字。

接着往下面看，这里有个东西叫做传输计数器，这个东西就是用来指定我总共需要转运几次的。这个传输计数器是一个自减计数器，比如给它写个5，那DMA就只能进行5次数据转运。转运过程中，每转运一次，计数器的数就会减1。当传输计数器减到零之后，DMA就不会再进行数据转运了。

另外它减到0之后，之前自增的地址也会恢复到起始地址的位置，以方便之后DMA开始新一轮的转换。

在传输计数器的右边有一个自动重装器，这个自动重装器的作用就是传输计数器减到零之后，是否要自动恢复到最初的值，比如最初传输计数器给5，如果不使用自动重装器，那转用5次后DMA就结束了。如果使用自动重装器，那转运5次计数器减到0后，就会立即重装到初始值5。

自动重装器决定了转运的模式，如果不重装，就是正常的单次模式，如果重装就是循环模式，比如如果想转运一个数组，那一般就是单次模式，转运一轮就结束了。如果是ADC扫描模式加连续转换，那为了配合ADC，DMA也需要使用循环模式。所以这个循环模式和ADC的连续模式差不多，都是指定一轮工作完成后，是不是立即开始下一轮工作。

然后继续往下看，这一块就是DMA的触发控制。

触发就是决定DMA需要在什么时机进行转运的。触发源有硬件触发和软件触发，具体选择哪个由M2M这个参数决定。M2M就是memory to memory，存储器到存储器的意思。

当我们给M2M位1时，DMA就会选择软件触发，应用在存储器到存储器转运的情况。
这个软件触发并不是调用某个函数一次触发一次，这个软件触发的执行逻辑是以最快的速度连续不断的触发DMA争取早日把传输计数器清零，完成这一轮的转换。所以这里的软件触发和我们之前外部中断和ADC的软件触发可能不太一样，可以把它理解成连续触发。

💯💯注意：这个软件触发和循环模式不能同时用，因为软件触发就是想把传输计数器清零，循环模式是清零后自动重装。如果同时用的话，那DMA就停不下来了。

软件触发一般适用于存储器到存储器的转运。因为存储器到存储器的转运是软件启动，不需要时机，并且想尽快完成的任务。

当M2M位给0，就是硬件触发。硬件触发源可以选择ADC、串口、定时器等等。使用硬件触发的转运，一般都是与外设有关的转运。这些转运需要一定的时机，比如ADC转换完成、串口收到数据、定时时间到等等，所以需要使用硬件触发，在硬件达到这些时机时，传个信号过来触发DMA进行转运。

最后就是开关控制，也就是DMA_Cmd函数，当DMA使能后，DMA就准备就绪可以进行转运了。

DMA进行转运有几个条件：

😎第一就是开关控制，DMA_Cmd必须使能；
😎第二就是传输计数器必须大于零；
😎第三就是触发源必须有触发信号，触发一次转运一次，传输计数器自减一次，当传输计数器等于0且没有自动重装时，这时无论是否触发，DMA都不会再进行转运，此时就需要DMA_Cmd给disable关闭DMA。当传输计数器写一个大于零的时候，DMA_Cmd给ENable开启DMA，DMA才能继续工作。

⚠️⚠️⚠️注意：写传输计数器时，必须要先关闭DMA再进行，不能在DMA开启时写传输计数器，这是手册里的规定。

接下来我们再看几个细节的问题：

6.🚢DMA请求

这张图是DMA1的请求映象

这张图表示的就是结构图中这部分结构，DMA触发的部分：

请求映像图中可以看到DMA的七个通道，每个通道都有一个数据选择器，可以选择硬件触发或软件触发。EN决定这个数据选择器要不要工作，EN等于0数据选择器不工作，EN等于1数据选择器工作，然后软件触发后面跟个M2M的意思应该是当M2M等于1时选择软件触发。

图中左边的硬件触发源，是外设请求信号，可以看到每个通道的硬件触发源都是不同的。如果需要用ADC1来触发的话，那就必须选择通道1。如果需要定时器二的更新事件来触发的话，那就必须选择通道二，剩下的也是同理。因为每个通道的硬件触发源都不同，所以如果想使用某个硬件触发源的话，就必须使用它所在的通道，这就是硬件触发的注意事项。

而如果使用软件触发的话，通道就可以任意选择。因为每个通道的软件触发都是一样的。这就是最开始DMA的简介那部分所讲的每个通道都支持软件触发和特定的硬件触发，这就是特定的意思，即选择硬件触发是要看通道的。

再看，比如通道1的硬件触发是ADC1、定时器2是通道3，定时器4是通道1，那到底是选择哪个触发源？