DMA控制器原理詳解

moven_j 發(fā)布于2021-09-04 16:45 / 1368人閱讀

摘要：目錄工作原理硬件架構(gòu)硬件架構(gòu)通道的作用寄存器出現(xiàn)的目的出現(xiàn)的目的工作原理全拼直接內(nèi)存存取，在傳統(tǒng)的存取數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)先將數(shù)據(jù)放到緩存寄存器中然后在寫(xiě)入到指定位置存取數(shù)據(jù)流程圖經(jīng)歷了三個(gè)步驟，先將內(nèi)存中指定位置

工作原理

工作原理

DMA全拼Direct Memory Access（直接內(nèi)存存取），在傳統(tǒng)的CPU存取數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)先將數(shù)據(jù)放到緩存寄存器中然后在寫(xiě)入到指定位置

CPU存取數(shù)據(jù)流程圖：

CPU經(jīng)歷了三個(gè)步驟，先將內(nèi)存中指定位置上的數(shù)據(jù)取到數(shù)據(jù)緩存器中，然后在將數(shù)據(jù)緩存器中的內(nèi)容寫(xiě)入到內(nèi)存中，總共用了三步來(lái)完成內(nèi)存兩天不同地址上的數(shù)據(jù)寫(xiě)入

而使用DMA之后就會(huì)變得非常簡(jiǎn)單，DMA不會(huì)放入暫存器，而是直接寫(xiě)入寫(xiě)入內(nèi)存，你只需要設(shè)置好源地址，目標(biāo)地址，傳輸量，那么DMA就會(huì)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，但DMA會(huì)占用你設(shè)備的總線，也就是這個(gè)過(guò)程中你無(wú)法使用總線，需要進(jìn)行一個(gè)控制權(quán)轉(zhuǎn)移，這樣雖然傳輸變快了但是傳輸期間CPU基本上做不了別的事情，但是有些架構(gòu)已經(jīng)為DMA提供了一套自己的總線，在DMA傳輸過(guò)程中CPU依然可以控制外設(shè)，這個(gè)控制權(quán)轉(zhuǎn)移不是一直DMA有效的，為了保證CPU也能正常通過(guò)系統(tǒng)總線去控制外設(shè)，一般會(huì)給DMA一定時(shí)間然后控制權(quán)在切回CPU，然后CPU處理一段時(shí)間在切回DMA直到DMA結(jié)束才會(huì)停止控制權(quán)轉(zhuǎn)移。

DMA硬件架構(gòu)

以下取自STM32芯片手冊(cè)中對(duì)DMA的框架描述

從上圖可以看到DMA是一個(gè)多帶帶的控制器，并且它有兩個(gè)，掛設(shè)在AHB總線上，可以看到DMA1 CH1 - CH7也就是可配置的控制通道而DMA2只有5個(gè)，CPU通過(guò)配置DMA來(lái)完成數(shù)據(jù)傳輸
可以看到它們不是使用System總線，而是使用了DMA自己的控制總線，所以這個(gè)架構(gòu)會(huì)比使用系統(tǒng)總線的架構(gòu)要快許多，但是功耗要大于使用系統(tǒng)總線的架構(gòu)

以下是兩個(gè)DMA控制器的結(jié)構(gòu)圖，可以清晰的看到每個(gè)通道用于做什么的

?DMA1

DMA2

DMA通道的作用

通道是一個(gè)小型的IO控制器，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)控制不同的外設(shè)、Memory，可以通過(guò)MCU數(shù)據(jù)手冊(cè)里查看你的DMA里的每個(gè)通道對(duì)應(yīng)控制的外設(shè)。

從上圖給出的通道結(jié)構(gòu)圖中可以看到每個(gè)通道IO都支持Uart、SPI、I2C外設(shè)功能，值得注意的是這里外設(shè)是有編號(hào)的，可以在上圖通道中看到，不同的外設(shè)由不同的通道程序來(lái)控制，如你使用I2C2外設(shè)，則需要找到支持I2C2的通道并使用它，其中也可以看到SW trigger (MEM2MEM BIT)這個(gè)意思代表支持Memory到Memory之間的通訊，如內(nèi)部的Sram到Sram，也可以看到上圖中有HW request 4 意味著這個(gè)通道支持中斷通知，意思是當(dāng)這個(gè)通道開(kāi)始工作時(shí)會(huì)設(shè)置對(duì)應(yīng)寄存器里的值，然后產(chǎn)生中斷，我們可以在對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)志寄存器里讀到哪個(gè)通道產(chǎn)生了中斷，以及做了什么事情

如果是對(duì)外設(shè)進(jìn)行控制的話記得，如果是內(nèi)部的Memory到Memory之間傳輸數(shù)據(jù)的話可以隨便選擇一個(gè)通道，因?yàn)閺纳蠄D的結(jié)構(gòu)可以看出每個(gè)通道IO都支持內(nèi)部Memory

通道可以理解成一個(gè)小型的程序，它是一個(gè)簡(jiǎn)單的IO控制程序，只能處理對(duì)應(yīng)外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸，工作之前需要配置DMA里使用哪個(gè)通道，可以選擇多個(gè)通道，也可以選擇一個(gè)通道，這些通道是支持同時(shí)工作的。

DMA寄存器

?可以看到可以通過(guò)上面的通道來(lái)配置Uart、SPI、I2C的一些功能，同時(shí)看到Internal/Request是內(nèi)部帶有中斷功能的，具體如何配置還需要看寄存器功能

寄存器介紹

① 中斷類

寄存器名	作用
DMA_ISR	中斷狀態(tài)寄存器
DMA_IFCR	DMA中斷標(biāo)志位清除寄存器

② 控制傳輸類

寄存器名	作用
DMA_CCRx	DMA通道x配置寄存器
DMA_CNDTRx	DMA通道x數(shù)據(jù)數(shù)量寄存器
DMA_CPARx	DMA通道x外設(shè)地址寄存器
DMA_CMARx	DMA通道x內(nèi)存地址寄存器

需要注意上面的寄存器針對(duì)DMA1與DMA2都有對(duì)應(yīng)的一組，它們倆不使用一組寄存器控制

可以簡(jiǎn)單把DMA理解成CPU的一個(gè)傳輸小幫手，CPU通過(guò)告訴DMA該傳輸哪些數(shù)據(jù)，然后由DMA去完成傳輸工作

DMA是一個(gè)獨(dú)立的控制器，內(nèi)部有小型芯片來(lái)控制的，也有自己的一套架構(gòu)，一般集成在MCU內(nèi)部與CPU緊密貼合

DMA出現(xiàn)的目的

DMA的出現(xiàn)就是為了解決CPU在處理大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的時(shí)間耗費(fèi)成本，在傳輸大數(shù)據(jù)時(shí)CPU會(huì)先放到暫存器中這樣的速度會(huì)影響效率，速度較慢，同時(shí)CPU如果一直忙于傳輸數(shù)據(jù)就不能去做別的事情了，所以DMA的誕生解決了這個(gè)問(wèn)題，需要值得注意的是在使用DMA之前要看下架構(gòu)，DMA是否與CPU使用同一總線，若同一總線的情況下是會(huì)影響CPU工作效率而非傳輸效率