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DMA

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定义

DMA(Direct Memory Access，直接存储器访问) 在不依赖CPU的情况下提供在外设与内存、存储器和存储器、外设与外设之间的高速数据传输使用。

一次DMA传输是不可中断的

  • 搬运存储器、外设的数据：
  • 外设指的是spi、usart、iic、adc 等基于APB1 、APB2或AHB时钟的外设。
  • 存储器包括自身的闪存(flash)或者内存(SRAM)以及外设的存储设备都可以作为访问源或者目的。

作用

节省CPU资源、实时传输数据

  • 节省CPU资源：数据搬运是一个耗时、相对简单的任务，利用DMA机制，外部设备可以直接与内存进行数据传输，无需CPU的参与，从而减轻了CPU的负担。
  • 实时传输数据：DMA能够以高效率和高速度进行数据传输，满足对数据及时性的要求。

ARM架构中的DMA配置

在ARM架构中，DMA通常是通过专门的硬件控制器来实现的。

  • 配置DMA控制器：设置源地址、目标地址、传输数据大小等参数。
  • 触发DMA传输：启动DMA控制器开始数据传输。
  • DMA传输过程：DMA控制器根据配置的参数，自动从源地址读取数据，并将数据写入目标地址。
  • 完成传输：DMA控制器完成数据传输后，触发相应的中断信号或事件通知。

在ARM嵌入式系统中，DMA（Direct Memory Access） 是一种允许外设与内存之间直接传输数据的机制，无需经过CPU干预。DMA的核心优势是减少CPU负担，提高数据传输的效率，尤其在数据量大、频繁传输的应用中尤为重要。

DMA基本原理

  • 数据传输：DMA允许外设（如ADC、UART、SPI、I2C等）或内存之间直接交换数据，通常由DMA控制器（DMA Controller, DMAC）管理。
  • CPU交互：在数据传输过程中，CPU不需要处理每一个数据字节，DMA控制器自动完成数据的读取或写入。CPU可以在DMA传输期间执行其他任务，极大地提高系统效率。
  • 触发机制：DMA通常由外设的中断信号或软件触发启动，一旦传输完成，DMA会通知CPU（通常是通过中断机制）处理后续任务。

DMA工作模式

ARM嵌入式系统中的DMA一般支持以下几种工作模式：

  1. 内存到内存（Memory to Memory）：适用于大量数据的内存拷贝操作。

  2. 外设到内存（Peripheral to Memory）：从外设采集数据并存储到内存中，常用于数据采集系统。

  3. 内存到外设（Memory to Peripheral）：适用于音频输出、图像显示等需要将处理数据传输到外设的场景。

  4. 循环模式（Circular Mode）：

    • DMA传输完成后，自动回到起始位置进行下一轮传输，适用于持续数据流（如音频采样、视频采集）的场景。
    • DMA在传输完一次数据后，不会停止，而是继续从指定的内存位置读取或写入数据。

DMA控制器工作原理

  1. 配置：CPU配置DMA控制器，指定源地址、目标地址、数据传输大小等参数。此配置通常通过寄存器完成。

  2. 传输启动：DMA传输可以通过外设的中断触发或软件触发来启动。外设如ADC完成一次采样并发出中断，DMA控制器根据配置将数据从外设传输到内存。

  3. 数据传输：DMA控制器根据预设配置直接控制数据的读写。数据传输过程中，CPU可以进行其他操作，减少等待时间。

  4. 传输完成：一旦DMA传输完成，DMA控制器通常会通过中断通知CPU，表明数据传输已完成，CPU可以处理后续任务。

DMA的优势与挑战

优势：

  • 高效：减少CPU参与数据传输，提升系统效率。
  • 低功耗：通过减少CPU占用，系统整体功耗降低。
  • 实时性：DMA传输大块数据时，能够避免CPU中断带来的延迟，保证实时性。

挑战：

  • 硬件资源依赖：DMA需要额外的硬件资源，通常会增加芯片复杂性。
  • 管理复杂性：DMA传输涉及到内存管理和外设同步，配置较为复杂，尤其是在复杂的多通道DMA应用中。
  • 数据一致性问题：DMA直接操作内存时，可能会与CPU并发访问内存，造成数据一致性问题，需要谨慎处理。

DMA双缓存采样

  1. 初始化DMA控制器：

    • 配置DMA控制器，包括源地址（外设的寄存器地址）、目标地址（内存中的两个缓冲区）、传输大小、传输方向等。
    • 配置DMA为循环模式，确保DMA可以不断循环进行数据采样。

  2. 设置两个缓冲区：

    • 分配两个内存缓冲区（例如BufferA和BufferB），DMA交替使用这两个缓冲区进行数据存储。
    • 配置DMA使得第一个缓冲区可以接收数据采样，当DMA完成第一个缓冲区的采样后，它将切换到第二个缓冲区，继续采样。

  3. 启用DMA和外设：

    • 启动DMA，并使外设（如ADC）开始工作，DMA开始从外设读取数据并存储到缓冲区中。

  4. 中断或标志触发：

    • DMA每完成一次缓冲区的传输后，会触发中断或设置标志位。CPU通过中断服务例程（ISR）来接管处理任务，处理完第一个缓冲区的数据后，将第二个缓冲区激活，继续进行数据采样。

  5. 缓冲区切换：

    • 在每次采样完成后，CPU可以切换到另一个缓冲区并继续处理数据，DMA开始采样下一个缓冲区的数据，保证了数据的持续采样和处理。

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