DMA是什么？如何通过DMA实现高效传输？

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文 | 无际（微信:2777492857）
全文约3903字，阅读大约需要 10 分钟
以前做过一个项目，需要连续采集多通道ADC，还有通过UART接收发送一堆数据流。

这时候，如果是你？你会怎么办？

是不是写个循环，在里面不断地读寄存器、写寄存器，或者开个中断，每次中断里就搬运一个字节？

一开始数据量小，感觉还好，就跟倒水似的，一勺一勺舀。

但是当数据量大起来，比如要采集一路高速信号，或者发送一整屏的图像数据时，你就会发现，你的CPU，那个原本应该指挥千军万马的大脑，此刻就像被数据牢牢拴住的狗子，光做数据搬运已经忙疯了。

它在那里苦逼地等着外设发来一个字节，赶紧把它挪到内存；或者等着外设能接收下一个字节了，赶紧从内存里拿一个塞过去。

你的主循环呢？其他重要的任务呢？它们只能干等着，或者在中断里被频繁地打断。

你可能调过ISR（中断服务程序）的优先级，想让搬数据这事儿赶紧过去，但只要数据量在那儿摆着，CPU花在搬运上的时间就省不掉。

更要命的是，如果数据速率很高，你的中断可能频繁到让CPU几乎干不了别的事儿，系统感觉卡顿，甚至可能会丢失数据，就像水流太急，你用小勺子根本舀不过来。

这种痛，只有做过类似项目应用的才能体会到。你觉得单片机性能不够，时钟频率太低，但很多时候，是你的用法限制了它的性能。

你的代码会充斥着大量的等待或者中断处理逻辑，变得复杂且难以维护。

最终的结果就是：项目延期、性能不达标、系统不稳定，如果正好又在试用期，瑟瑟发抖吧。

但好消息是，这个问题，现代单片机早就给你准备好了解决方案，它就是咱们今天要聊的——DMA（Direct Memory Access），直接存储器访问。

读完这篇文章，你将彻底理解DMA是干啥的，它为什么能解放你的CPU，以及如何在你的单片机项目里用上这个“效率神器”。

你将学会让数据传输在后台默默进行，而你的CPU则可以去处理更重要的事情，大大提升系统的整体性能和响应速度。

DMA，直接存储器访问，其实从名字就能听出来它是干啥的：它能“直接”访问“存储器”（包括内存和外设寄存器），而且这个过程，很大程度上是“直接”的，不需要CPU时时刻刻参与。

你可以把DMA想象成CPU的一个独立的数据搬运“特助”。CPU只需要告诉它：“嘿，老哥，帮我把内存里这段数据（源地址）搬到那个外设的寄存器里（目标地址），一共搬100个字节，搬完了知会我一声（中断）。”

然后，CPU就可以把这事完全交给DMA，自己去干别的更体面的活儿了，比如跑算法、处理用户输入、管理调度其他任务等等。

DMA拿到指令后，会通过系统总线，直接在内存和外设之间（或者内存和内存之间）进行数据块的传输。每一次传输一个字节或一个字，DMA控制器自己搞定时序、地址递增等细节。就像CPU的小老弟，按照CPU的指令，自己找路，自己搬货，搬完了才告诉你：“老板，活干完了！”

这个过程中，CPU只在最初配置DMA和最后接收DMA完成中断时介入，中间的数据搬运过程完全由DMA硬件独立完成，几乎不占用CPU的执行时间。

DMA是怎么工作的？简化流程来了

一套典型的DMA传输流程大致是这样：
1.CPU配置DMA： 这是第一步，也是CPU唯一需要“手把手”干预的部分。CPU需要设置：
?数据源地址： 数据从哪里来？可能是内存的一个buffer，也可能是某个外设的数据寄存器。
?数据目标地址： 数据要搬到哪里去？可能是内存的另一个buffer，也可能是另一个外设的数据寄存器。
?传输数据量： 一共要搬多少个字节、字或半字？
?传输方向： 是从外设到内存（例如ADC采集），还是从内存到外设（例如UART发送），或者是内存到内存？
?地址增量模式： 搬运过程中，源地址和目标地址是保持不变（用于访问同一个外设寄存器）还是自动增加（用于访问内存buffer）？
?传输单位： 每次搬运是一个字节(8bit)、半字(16bit)还是一个字(32bit)？
?关联的外设请求： 这次DMA传输是由哪个外设触发的？例如，UART发送数据时，当它的发送数据寄存器空了，会向DMA发出一个请求信号，DMA收到这个信号，就自动把内存里的下一个字节搬到UART的数据寄存器里。
?传输模式： 只搬一次（Normal Mode），还是循环搬运（Circular Mode）？循环模式特别适合周期性数据采集（如ADC）或刷新（如屏幕显示）。
?中断设置： 是在传输完成时触发中断？还是传输到一半触发中断？还是传输发生错误时触发中断？

2.CPU启动DMA传输： 配置完成后，CPU往DMA的某个控制寄存器里写一下，告诉它：“好了，干活儿去吧！” 然后CPU就解放了。

3.DMA独立执行传输： DMA控制器接收到启动信号后，就根据CPU给的配置，等待关联外设的请求（如果是外设触发模式），或者立即开始搬运。它会自行控制总线，从源地址读取数据，写入目标地址，同时自动更新内部的地址计数器和传输计数器。这个过程完全是硬件自动完成的，不需要CPU执行任何指令来干预搬运的细节。当然，DMA在搬运数据时会占用总线，可能会短暂地“暂停”CPU对总线的访问，但这比CPU自己执行搬运指令的效率高得多。

4.DMA发出完成信号/中断（可选）： 当DMA按计划完成了所有数据的搬运，它会置位一个状态标志，并且，如果CPU之前配置了相应的中断，DMA会向CPU发送一个中断请求。

5.CPU处理后续事务： CPU在接收到DMA完成中断后，就知道这批数据已经搬完了。它可以接着处理这批数据（比如开始计算、分析），或者配置DMA进行下一批数据的传输。如果配置的是循环模式，DMA会在完成一轮后自动重置地址和计数器，开始下一轮搬运，甚至不需要CPU的干预。

拿STM32单片机举例，对应到代码的配置如下：

// 模拟一个DMA通道的配置结构体typedef struct{    uint32_t PeripheralBaseAddr; // 外设数据寄存器地址或内存地址    uint32_t MemoryBaseAddr;     // 内存buffer起始地址    uint32_t Direction;          // 传输方向：PERIPH_TO_MEMORY, MEMORY_TO_PERIPH, MEMORY_TO_MEMORY    uint32_t DMA_BufferSize;     // 传输的数据单元数量 (例如，字节数)    uint32_t PeripheralInc;      // 外设地址是否自增：DMA_PINC_DISABLE, DMA_PINC_ENABLE    uint32_t MemoryInc;          // 内存地址是否自增：DMA_MINC_DISABLE, DMA_MINC_ENABLE    uint32_t PeripheralDataAlignment; // 外设数据宽度：DMA_PDATAALIGN_BYTE, DMA_PDATAALIGN_HALFWORD, DMA_PDATAALIGN_WORD    uint32_t MemoryDataAlignment;     // 内存数据宽度：DMA_MDATAALIGN_BYTE, DMA_MDATAALIGN_HALFWORD, DMA_MDATAALIGN_WORD    uint32_t Mode;               // 传输模式：DMA_MODE_NORMAL, DMA_MODE_CIRCULAR    uint32_t Priority;           // DMA通道优先级：DMA_PRIORITY_LOW, DMA_PRIORITY_MEDIUM, DMA_PRIORITY_HIGH, DMA_PRIORITY_VERY_HIGH    uint32_t FIFOMode;           // FIFO模式使能 (部分高级DMA才有)    uint32_t FIFOThreshold;      // FIFO阈值 (部分高级DMA才有)    uint32_t MemBurst;           // 内存突发传输大小 (部分高级DMA才有)    uint32_t PeriphBurst;        // 外设突发传输大小 (部分高级DMA才有)} DMA_InitTypeDef;// 模拟DMA通道句柄 (用于管理和状态)typedef struct{    // DMA通道状态、错误标志等运行时信息    // ...} DMA_HandleTypeDef;// 模拟配置和启动DMA的函数void MX_DMA_Init(void){    // 1. 使能DMA时钟 (这是库函数干的事儿)    // __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE(); // 假设是STM32库函数风格    // 2. 初始化DMA通道句柄 (如果在用库)    // DMA_HandleTypeDef hdma_usart_tx; // 比如用于UART发送的DMA通道    // 3. 配置DMA通道参数    DMA_InitTypeDef DMA_Config;    DMA_Config.PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(USART1->DR); // 假设是USART1的数据寄存器地址    DMA_Config.MemoryBaseAddr     = (uint32_t)tx_buffer;    // 假设是内存中的发送buffer地址    DMA_Config.Direction          = DMA_MODE_MEM_TO_PERIPH; // 从内存到外设    DMA_Config.DMA_BufferSize     = tx_data_len;            // 要发送的数据长度    DMA_Config.PeripheralInc      = DMA_PINC_DISABLE;       // 外设寄存器地址不变 (还是那个DR)    DMA_Config.MemoryInc          = DMA_MINC_ENABLE;        // 内存地址自动增加 (挨个读取buffer里的数据)    DMA_Config.PeripheralDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; // 外设按字节传输    DMA_Config.MemoryDataAlignment     = DMA_MDATAALIGN_BYTE; // 内存按字节读取    DMA_Config.Mode               = DMA_MODE_NORMAL;        // 普通模式，传输一次停止    DMA_Config.Priority           = DMA_PRIORITY_LOW;       // 较低优先级    // 4. 将配置应用到具体的DMA通道 (这部分是关键的硬件寄存器操作，库函数封装了)    // 比如调用一个类似这样的函数：    // HAL_DMA_Init(&hdma_usart_tx, &DMA_Config);    // 5. 将DMA通道与对应外设的请求关联起来 (也是库函数干的事儿)    // 比如：__HAL_LINKDMA(&huart1, hdmatx, hdma_usart_tx);    // 6. 使能DMA通道的中断 (如果需要传输完成通知)    // HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel4_IRQn); // 假设USART1 TX对应DMA1通道4}// 模拟启动一次DMA传输的函数 (比如UART发送)void Start_UART_DMA_Transmit(uint8_t* pData, uint16_t Size){    // 假设前面已经配置好了DMA通道和UART，并关联了DMA    // 这个函数只需要告诉DMA和UART，数据在哪里，准备发送    // HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, pData, Size); // 类似这样的库函数调用    // 实际底层是设置DMA的MemoryBaseAddr, DMA_BufferSize，然后使能DMA通道，并使能UART的DMA发送请求}// 模拟DMA传输完成中断服务程序void DMA1_Channel4_IRQHandler(void){    // 检查是哪个事件触发的中断 (传输完成？传输错误？)    // 如果是传输完成，则可以处理后续逻辑，比如释放buffer，发送下一个数据包等    // 清除中断标志位    // HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_usart_tx); // 类似这样的库函数调用}

上面这段代码，不是某个具体单片机的完整代码，而是模拟了一个使用HAL库风格配置DMA的结构和流程。你会看到，你需要定义DMA的各种行为（源、目标、大小、方向、步进、模式等），然后把这些配置“灌”给对应的DMA通道，再通过使能外设的DMA请求，让它们“联动”起来。

一旦Start_UART_DMA_Transmit这样的函数被调用，CPU就只是简单地设置几个寄存器，然后就可以撒手不管了。数据会通过DMA控制器和UART外设之间的“握手”，自动从tx_buffer里一个字节一个字节地被搬到UART的发送数据寄存器里，直到全部发送完毕。

不同单片机的DMA控制器配置寄存器名字和细节可能不一样，但核心思想和配置项是类似的。


使用DMA的好处看得见摸得着：
?解放CPU： 最直接的好处。CPU从繁重的数据搬运任务中解脱出来，可以去执行更高级、更复杂的任务，让你的主循环跑得飞快。

?提高外设吞吐量： DMA硬件搬运速度快，可以跟上高速外设的数据速率，避免数据丢失，实现更高的通信或采集速率。

?降低系统功耗： CPU在等待数据传输时，可以进入低功耗模式（如Sleep Mode），由DMA在后台处理数据搬运，传输完成后再唤醒CPU，这对于电池供电设备非常重要。

?简化软件设计： 很多时候，使用DMA可以替代繁琐的循环或者频繁的中断处理，让你的主代码逻辑更清晰，更专注于业务处理。

像我们无际单片机的项目6，有几个地方使用了DMA。

第一个是SPI驱动TFT屏，可以加快数据搬运速度，刷屏的时候也快一点。

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第二个是串口，像wifi，4G模块链接云平台实现OTA升级，或者调试，这些都是妥妥的大数据流，用DMA很香。

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总结一下：

DMA就是单片机里一个专门负责搬数据的硬件单元。

它的存在，就是为了把你CPU从那些重复、耗时的数据搬运任务中解放出来。

掌握DMA，是单片机进阶路上绕不开的一步。它能显著提升你的程序效率和系统性能，让你的单片机项目脱胎换骨。

end

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