单片机STM32F103：DMA的原理以及应用

STM32F103系列微控制器（基于ARM Cortex-M3内核）集成了**DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）**控制器，用于在存储器与外设、存储器与存储器之间高效传输数据，减少CPU的干预，从而提升系统性能。本文将详细介绍STM32F103的DMA原理、架构、功能特性及使用方法，结合实际代码示例说明如何在开发中应用DMA，特别以STM32CubeMX和HAL库为工具。

1. DMA原理

DMA是一种硬件机制，允许数据在存储器（Flash、SRAM）或外设（UART、SPI、ADC等）之间直接传输，而无需CPU逐字节处理。其核心思想是将数据搬运任务交给DMA控制器，CPU只需配置DMA通道并启动传输，传输完成后通过中断或查询方式获取结果。

1.1 工作原理
  • DMA控制器：STM32F103的DMA控制器管理多个通道，每个通道负责特定的数据传输任务。
  • 数据流：
    • 存储器到存储器：如SRAM到SRAM。
    • 外设到存储器：如ADC数据到SRAM。
    • 存储器到外设：如SRAM数据到UART发送缓冲区。
  • 触发机制：
    • DMA传输可由软件触发（手动启动）或硬件触发（外设请求，如UART发送完成）。
  • 中断支持：
    • 传输完成（TC）、半传输（HT）或传输错误（TE）时可触发中断。
  • 优势：
    • 降低CPU负载，适合高吞吐量任务（如ADC采样、音频流）。
    • 提高实时性，适合多任务系统。
1.2 STM32F103的DMA架构

STM32F103的DMA控制器分为DMA1和DMA2（部分高密度型号支持DMA2），具体特性如下：

  • DMA1：
    • 7个通道（Channel 1-7）。
    • 连接到APB1/APB2外设（如UART、SPI、ADC）及存储器。
  • DMA2（仅高密度型号，如STM32F103ZET6）：
    • 5个通道（Channel 1-5）。
    • 通常用于高级外设或额外存储器访问。
  • 通道优先级：
    • 每个通道可配置高、中、低优先级，解决多通道冲突。
  • 数据宽度：
    • 支持8位、16位、32位数据传输。
  • 传输模式：
    • 单次传输：传输固定长度数据后停止。
    • 循环模式：传输完成后自动重新开始，适合连续数据流。
    • 增量模式：支持源/目标地址自动递增或固定。
  • FIFO：STM32F103的DMA无独立FIFO，依赖外设缓冲区或直接传输。
1.3 DMA工作流程
  1. 配置DMA通道：
    • 设置源地址、目标地址、数据长度。
    • 配置传输方向（存储器到外设、外设到存储器、存储器到存储器）。
    • 设置数据宽度、优先级、增量模式等。
  2. 启动传输：
    • 软件触发（设置ENABLE位）或硬件触发（外设信号）。
  3. 数据传输：
    • DMA控制器从源地址读取数据，写入目标地址。
  4. 完成处理：
    • 传输完成后，触发中断或置位标志，通知CPU处理结果。

2. STM32F103 DMA功能特性

  • 通道数量：
    • DMA1：7通道，支持ADC1/2、SPI1/2、UART1-3、I2C1/2、TIM1-4等。
    • DMA2（若有）：5通道，支持高级外设或额外存储器。
  • 传输方向：
    • 存储器到存储器（仅DMA1支持）。
    • 外设到存储器（如ADC采样到SRAM）。
    • 存储器到外设（如SRAM数据到UART）。
  • 中断支持：
    • 传输完成中断（TCIF）。
    • 半传输中断（HTIF）。
    • 传输错误中断（TEIF）。
  • 数据对齐：
    • 支持字节（8位）、半字（16位）、字（32位）传输。
    • 源和目标数据宽度可不同（如8位外设到16位SRAM）。
  • 循环模式：
    • 启用后，传输完成后自动重新加载计数器，适合连续数据流。
  • 优先级管理：
    • 软件配置通道优先级（Very High, High, Medium, Low）。
    • 硬件仲裁确保高优先级通道优先访问总线。

3. DMA使用方法

以下以STM32F103C8T6为例，结合STM32CubeMX和HAL库，介绍如何实现DMA传输，重点以ADC DMA（外设到存储器）和UART DMA（存储器到外设）为例。

3.1 开发环境准备
  • 硬件：
    • STM32F103C8T6开发板（如“蓝板”）。
    • ST-Link V2调试器。
    • USB-TTL模块（如CH340）用于串口调试。
  • 软件：
    • STM32CubeMX：配置外设和DMA。
    • STM32CubeIDE：编写和调试代码。
    • STM32CubeProgrammer：烧录程序。
    • 串口终端（如PuTTY）：查看输出。
3.2 示例1：ADC DMA（外设到存储器）

目标：使用ADC1连续采样多个通道的数据，通过DMA传输到SRAM缓冲区。

3.2.1 STM32CubeMX配置
  1. 创建项目：
    • 打开STM32CubeMX，选择STM32F103C8T6。
  2. 配置ADC：
    • 在“Analog”中启用ADC1。
    • 配置通道（如IN0、IN1，连接到PA0、PA1）。
    • 设置为“Continuous Conversion Mode”（连续转换）。
    • 启用“DMA Continuous Requests”。
  3. 配置DMA：
    • 在ADC1的“DMA Settings”中，添加DMA请求：
      • 选择DMA1 Channel 1（ADC1默认通道）。
      • 设置：
        • Mode：Circular（循环模式）。
        • Data Width：Half Word（16位，ADC为12位数据）。
        • Increment Address：Memory（目标地址递增）。
        • Priority：Medium。
  4. 配置时钟：
    • 设置HSE（8MHz晶振），PLL倍频到72MHz，APB2为72MHz，ADC时钟分频到12MHz（最大14MHz）。
  5. 生成代码：
    • 在“Project Manager”中设置项目名称、路径，选择“STM32CubeIDE”。
    • 生成代码。
3.2.2 代码实现

在STM32CubeIDE中，修改main.c实现ADC DMA采样：

#include "main.h"
#include "adc.h"
#include "dma.h"
#include "usart.h"
#include "stdio.h"#define ADC_CHANNEL_COUNT 2
uint16_t adcData[ADC_CHANNEL_COUNT]; // 存储ADC采样数据void SystemClock_Config(void);int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_DMA_Init();MX_ADC1_Init();MX_USART1_UART_Init(); // 串口用于调试// 启动ADC DMAHAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adcData, ADC_CHANNEL_COUNT);while (1) {// 在循环模式下，DMA自动更新adcDatachar msg[50];sprintf(msg, "ADC1: %u, ADC2: %u\r\n", adcData[0], adcData[1]);HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)msg, strlen(msg), 100);HAL_Delay(1000); // 每秒打印一次}
}// DMA传输完成回调（可选）
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {// 可在此处理传输完成后的逻辑
}

说明：

  • HAL_ADC_Start_DMA启动ADC和DMA，数据自动传输到adcData数组。
  • 循环模式下，DMA自动更新缓冲区，CPU无需干预。
  • 串口（UART1）打印ADC采样值，用于调试。
3.2.3 测试
  • 烧录程序到STM32F103。
  • 连接PA0/PA1到模拟信号（如电位器）。
  • 在串口终端（如PuTTY，115200波特率）查看ADC采样值。
3.3 示例2：UART DMA（存储器到外设）

目标：通过DMA将SRAM中的数据发送到UART1。

3.3.1 STM32CubeMX配置
  1. 配置UART：
    • 启用USART1（PA9-TX，PA10-RX）。
    • 设置波特率（如115200），模式为异步。
    • 在“DMA Settings”中，添加DMA请求：
      • 选择DMA1 Channel 4（USART1_TX默认通道）。
      • 设置：
        • Mode：Normal（单次传输）。
        • Data Width：Byte（8位，UART数据）。
        • Increment Address：Memory。
        • Priority：Medium。
  2. 生成代码：
    • 同ADC示例，生成STM32CubeIDE项目。
3.3.2 kazhuCode实现

修改main.c实现UART DMA发送：

#include "main.h"
#include "dma.h"
#include "usart.h"
#include "string.h"uint8_t txData[] = "Hello, STM32 DMA!\r\n";void SystemClock_Config(void);void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {// 传输完成回调HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"TX Complete\r\n", 13, 100);
}int main(void) {HAL_Init();SystemClock_Config();MX_DMA_Init();MX_USART1_UART_Init();// 启动UART DMA发送HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, txData, strlen((char*)txData));while (1) {HAL_Delay(1000); // 每秒发送一次HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, txData, strlen((char*)txData));}
}

说明：

  • HAL_UART_Transmit_DMA启动DMA传输，将txData发送到UART1。
  • 传输完成后，触发HAL_UART_TxCpltCallback中断。
  • 单次模式下，需手动重新启动传输。
3.3.3 测试
  • 烧录程序。
  • 连接USB-TTL模块（PA9->RX，PA10->TX）。
  • 在串口终端查看输出“Hello, STM32 DMA!”。

4. 关键配置注意事项

  • DMA初始化顺序：
    • 在main.c中，MX_DMA_Init必须在其他外设初始化（如MX_ADC1_Init、MX_USART1_Init）之前调用，确保DMA时钟启用。
  • 通道选择：
    • 每个外设有固定DMA通道（如ADC1->DMA1 Channel 1，USART1_TX->DMA1 Channel 4）。参考STM32F103参考手册。
  • 数据对齐：
    • 源和目标数据宽度需匹配（如ADC为16位，缓冲区应为uint16_t）。
  • 中断管理：
    • 启用DMA中断（如HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel1_IRQn)）。
    • 在中断回调中处理传输完成或错误。
  • 循环模式 vs 单次模式：
    • 循环模式适合连续数据流（如ADC采样）。
    • 单次模式适合一次性传输（如UART发送固定字符串）。
  • 优先级冲突：
    • 多通道同时传输时，设置高优先级给关键任务（如ADC优于UART）。

5. 常见问题及解决

  • DMA不工作：
    • 检查DMA通道是否与外设匹配。
    • 确保MX_DMA_Init在其他外设初始化前调用。
    • 验证源/目标地址正确，数据长度非零。
  • 数据错误：
    • 检查数据宽度（Byte/Half Word/Word）是否与外设匹配。
    • 确保目标缓冲区有足够空间。
  • 中断未触发：
    • 确认中断使能（HAL_DMA_Start_IT或外设API）。
    • 检查NVIC配置（优先级、使能）。
  • 总线冲突：
    • 避免多个DMA通道同时访问同一存储器区域。
    • 调整通道优先级或降低传输速率。

6. 扩展应用

  • 多通道ADC：使用DMA采集多个ADC通道数据，存储到数组，适合信号处理。
  • SPI DMA：实现高速SPI数据传输（如与LCD或Flash通信）。
  • FreeRTOS集成：结合DMA中断和信号量，优化实时任务调度。
  • 双缓冲技术：在循环模式下使用两个缓冲区交替存储数据，避免数据覆盖。

7. 学习资源

  • 官方文档：
    • STM32F103参考手册（DMA章节）。
    • STM32CubeMX用户手册。
  • 教程：
    • 正点原子/野火的STM32 DMA教程。
    • ST社区论坛的DMA应用笔记（如AN2548）。
  • 工具：
    • STM32CubeMonitor：监控DMA传输数据。
    • 逻辑分析仪：调试外设信号。

8. 总结

STM32F103的DMA控制器通过高效的数据传输，显著降低CPU负载，适合高吞吐量场景。DMA1支持7通道，DMA2（部分型号）支持5通道，覆盖ADC、UART、SPI等外设。使用STM32CubeMX配置DMA参数，结合HAL库（如HAL_ADC_Start_DMA、HAL_UART_Transmit_DMA）可快速实现传输。关键注意初始化顺序、通道选择和数据对齐，通过中断和循环模式优化性能。

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