GD32F130之DMA

什么是DMA

DMA，即Direct Memory Access，是一种在无需CPU参与的情况下，将数据块在内存（SRAM）和外设（一般是I/O设备）之间高效传输的硬件机制。实现这种功能的集成电路单元叫做DMA Controller，即DMA 控制器。

使用DMA的好处

一般情况下，为了实现内存（SRAM）和外设（一般是I/O设备）之间的数据传输，有三种常用的方法：轮循法（polling），中断法（interrupt）以及本文要介绍的DMA方法。

轮循法（polling）：在主循环中，CPU不断检查外设的相关标志位，来判断其是否需要进行数据的传输，如果有，则CPU将数据在外设和内存之间搬运，实现数据传输。当数据传输服务请求频繁或者的数据量很大时，会影响其他任务的实时性。由于其他任务的存在，也会影响数据传输的实时性。

中断法（interrupt）：当外设需要传输数据时，会触发中断，CPU会暂停正在处理的任务，转而去处理外设的数据传输任务。CPU无需反复检查外设的标志位，中断机制会指示CPU何时去处理外设数据，但是依然需要CPU去完成数据搬运和传输过程。当外设数据传输服务发生不频繁，且数据量不大时，中断法也是不错的选择。当中断连续不断且频繁发生时，中断法变得不再高效，因为在恢复主流程的执行和中断响应的上下文切换上会占用大量CPU时间。

DMA传输法：DMA控制器是一种单片机中的硬件单元，他的功能就是允许I/O外设和存储器之间高效传输数据，且传输过程中无需CPU参与。其工作原理和流程如下：

1、当一个IO设备需要发送数据给存储器或者从存储器读取数据时，它会给DMA 控制器发送一个DRQ请求。DMA控制器收到请求后，向CPU发送HLD请求，要求CPU放弃对总线的使用，因为DMA控制器传输数据时，要使用系统总线。

DMA控制器和Cortex™-M3内核共享系统总线。当DMA和CPU访问同样的地址空间时，DMA访问可能会阻挡CPU访问系统总线几个总线周期。总线矩阵中实现了循环仲裁算法来分配DMA与CPU的访问权，它可以确保CPU得到至少一半的系统总线带宽。——《GD32手册》

2、CPU收到DMA控制器的HLD请求后，让出总线使用权给DMA控制器，并向DMA控制器响应HLDA信号。

3、当DMA控制器收到CPU的HLDA信号后，DMA控制器会通知IO设备一个DACK信号，告知IO设备可以进行数据的传输。然后DMA控制器占用系统总线，完成IO设备和存储器之间的数据传输。

4、当数据传输完成后，DMA控制器向CPU申请中断，告知CPU数据传输完成。同时CPU恢复系统总线的使用权。

从上描述可以发现：①在数据传输过程中，CPU完全不需要参与，只有传输完成后才有必要参与进来，大大的节约了CPU时间。②DMA数据传输请求总是IO外设发起的。

GD32F130 DMA简介

GD32F130系列单片机有一个DMA控制器，它有7个DMA通道（CH0~CH6）。每一个通道可以服务一个外设与存储器之间的DMA数据传输。通道之间相互独立。

下图是DMA通道外设请求表。表格中标记有颜色的请求通道是支持重映射的。

1. 当 SYSCFG_CFGR0 寄存器的相应重映射位被清零时，请求被映射到该通道；
2. 当 SYSCFG_CFGR0 寄存器的相应重映射位被置位时，请求被映射到该通道。

例如可以配置SYSCFG_CFGR0寄存器中的对应位清0，来将USART0_TX请求通道映射到通道1。也可以配置SYSCFG_CFGR0寄存器中的对应位置1，来将USART0_TX请求通道重新映射到通道3。通过使用库函数syscfg_dma_remap_enable()和syscfg_dma_remap_disable()来重映射外设DMA通道的配置。

注意，映射DMA通道前，要使用rcu_periph_clock_enable(RCU_CFGCMP)来打开系统配置时钟，因为SYSCFG_CFGR0寄存器属于系统配置部分的寄存器。

配置通道软件优先级

当DMA控制器在同一时间接收到多个外设请求时，仲裁器将根据外设请求的优先级来决定响
应哪一个外设请求。优先级包括软件优先级和硬件优先级，优先级规则如下：

软件优先级：分为4级，低，中，高和极高。可以通过寄存器DMA_CHxCTL的PRIO位域来配置；
硬件优先级：当通道具有相同的软件优先级时，编号低的通道优先级高。例：通道0和通道2配置为相同的软件优先级时，通道0的优先级高于通道2。

设置软件优先级

DMA_CHxCTL.PRIO[1:0] = 00：低
DMA_CHxCTL.PRIO[1:0] = 01：中
DMA_CHxCTL.PRIO[1:0] = 10：高
DMA_CHxCTL.PRIO[1:0] = 11：极高

配置数据传输方向

DMA主要用于外设和存储器之间的数据传输，所有数据传输方向主要有两种：

存储器到外设：例如USART使用DMA方式发送数据，这个数据可能是一个字符串或者一个字节数组。当使用DMA发送时，这些数据从存储器传输到USART外设的TDATA寄存器
外设到存储器：例如USART使用DMA方式接收数据，使用一个字节数组来缓存收到的数据。当使用DMA接收时，收到的数据从USART外设的RDATA寄存器传输到存储器

虽然DMA也支持存储器到存储器，但是几乎用不到。

禁用存储器到存储器模式

DMA_CHxCTL.M2M=0：禁用存储器到存储器模式
DMA_CHxCTL.M2M=1：启用存储器到存储器模式

配置传输方向

DMA_CHxCTL.DIR=0：外设到存储器
DMA_CHxCTL.DIR=1：存储器到外设

配置数据宽度

DMA传输数据的时候，只要传输没结束，每次外设发起传输请求时，需要从外设读数据，或者写一个数据到外设，那么每次读/写的单个数据多大呢？这就是通过设置外设数据宽度来指定的。同理也要设置存储器的数据宽度。总之这里的数据宽度指的是单次传输的数据大小，也就是占用的字节数。

如果设置的存储器和外设的数据宽度不一样，则在数据存储到目的地时会发生截断或者高位补0 的情况。

截断的情况：例如数据源的数据宽度是32bit，而目标数据宽度是16bit，从数据源传输一个0xB3B2B1B0到目标，其结果是目标得到的数据是0xB1B0，即丢掉了高位部分。
补零的情况：例如数据源的数据宽度是16bit，而目标数据宽度是32bit，从数据源传输一个0xB1B0到目标，其结果是目标得到的数据是0x0000B1B0，即高位部分用0填充。

设置存储器数据宽度

DMA_CHxCTL.MWIDTH[1:0] = 00 ：8bit
DMA_CHxCTL.MWIDTH[1:0] = 01 ：16bit
DMA_CHxCTL.MWIDTH[1:0] = 10 ：32bit
DMA_CHxCTL.MWIDTH[1:0] = 11 ：保留

设置外设数据宽度

DMA_CHxCTL.PWIDTH[1:0] = 00 ：8bit
DMA_CHxCTL.PWIDTH[1:0] = 01 ：16bit
DMA_CHxCTL.PWIDTH[1:0] = 10 ：32bit
DMA_CHxCTL.PWIDTH[1:0] = 11 ：保留

配置外设地址和存储器地址以及地址生成算法

外设地址就是外设寄存器映射的地址，而存储器地址就是内存缓冲数组的起始地址。由于外设寄存器地址是固定的，所以外设地址生成算法应该选择固定地址模式。而存储器对应的缓冲数组是包含多个数据元素的矢量，所以存储器的地址生成算法应该选择增量地址模式。

当使用固定地址模式时，每次存取数据的地址都不变化。当使用增量地址模式时，每次传输一次数据后，地址就会自动增加一个数据宽度，假设数据宽度是8bit，则地址值会增1；如果数据宽度是2，则地址值增2,；如果数据宽度是32bit，则地址值增4。和C语言中指针的表现一致。

设置存储器基地址

使用DMA_CHxMADDR寄存器来设置存储器基地址。

设置外设基地址

使用DMA_CHxPADDR寄存器来设置存储器基地址。

设置存储器地址生成算法

DMA_CHxCTL.MNAGA=0：固定地址模式
DMA_CHxCTL.MNAGA=1：增量地址模式

设置外设地址生成算法

DMA_CHxCTL.PNAGA=0：固定地址模式
DMA_CHxCTL.PNAGA=1：增量地址模式

配置数据传输长度

外设每请求一次DMA传输，只会传输一次数据。通过设置DMA_CHxCNT来指定一共需要DMA传输多少次数据。

一旦通道使能，DMA_CHxCNT寄存器为只读的，并在每个 DMA 传输之后值减 1。如果该寄存器的值为 0，无论通道开启与否，都不会有数据传输。如果该通道工作在循环模式下，一旦通道的传输任务完成，该寄存器会被自动重装载为初始设置值。

在传输过程中，DMA_CHxCNT用于指示本次传输周期，还有多少数据没有传输。

配置DMA传输模式

有两种传输模式。

单次模式：当DMA_CHxCNT寄存器指定的传输数据长度传输完成后，DMA_CHxCNT寄存器为0，使得DMA停止传输。
循环模式：当DMA_CHxCNT寄存器指定的传输数据长度传输完成后，DMA_CHxCNT寄存器会重载恢复为初始值，且DMA通道会再次从存储器的基地址处继续进行后续的数据传输。这样可以一直响应外设的传输请求，直到DMA通道被禁止。

通过DMA_CHxCTL寄存器的CMEN 位来选择是否开启循环模式。

DMA_CHxCTL.CMEN =0：禁止循环模式
DMA_CHxCTL.CMEN =1：使能循环模式

DMA中断

DMA传输过程中会触发三种中断：

传输完成中断：随着传输进行，当DMA_CHxCNT递减为0时，触发传输完成中断。
传输半完成中断：假设本次传输周期，设置的传输长度DMA_CHxCNT的值为N，则当传输完成一半（整数除法，N/2，例如7/2=3）后，触发传输半完成中断。
传输错误中断：传输过程中发生错误时触发此中断。

DMA配置代码模板

这里给出USART0使用DMA接收和发送的DMA部分配置代码

//=====================[USART0_TX = DMA_CH1]=====================
dma_deinit(USART0_TX_DMA_CH);  //复位DMA通道的相关寄存器
dma_memory_to_memory_disable(USART0_TX_DMA_CH);   //CTL.M2M=0,禁用存储器到存储器模式
dma_transfer_direction_config(USART0_TX_DMA_CH,DMA_MEMORY_TO_PERIPHERAL);  //CTL.DIR,传输方向为存储器到外设
dma_circulation_disable(USART0_TX_DMA_CH);     //CTL.CMEN=0禁用循环模式
dma_priority_config(USART0_TX_DMA_CH,DMA_PRIORITY_HIGH); //CTL.PRIO[1:0]通道的软件优先级
dma_memory_width_config(USART0_TX_DMA_CH,DMA_MEMORY_WIDTH_8BIT);      //CTL.MWIDTH[1:0]配置存储器单个数据宽度
dma_periph_width_config(USART0_TX_DMA_CH,DMA_PERIPHERAL_WIDTH_16BIT); //CTL.PWIDTH[1:0]配置外设单个数据宽度
dma_memory_increase_enable(USART0_TX_DMA_CH);  //CTL.MNAGA存储器地址生成算法为递增
dma_periph_increase_disable(USART0_TX_DMA_CH); //CTL.PNAGA外设地址生成算法为固定不变
//dma_interrupt_enable(USART0_TX_DMA_CH,DMA_INT_FTF);  //CTL.FTFIE 使能传输完成中断
//dma_interrupt_enable(USART0_TX_DMA_CH,DMA_INT_HTF);  //CTL.HTFIE 使能半传输完成中断
//dma_interrupt_enable(USART0_TX_DMA_CH,DMA_INT_ERR);  //CTL.ERRIE 使能传输错误中断
dma_memory_address_config(USART0_TX_DMA_CH, (uint32_t)USART0_tx_dma_buf);   //配置存储器基地址
dma_periph_address_config(USART0_TX_DMA_CH, (uint32_t)&USART_TDATA(USART0));  //配置外设基地址为USART0的TDATA寄存器地址
dma_transfer_number_config(USART0_TX_DMA_CH,0);  //CNT寄存器，设置传输长度
//dma_channel_enable(USART0_TX_DMA_CH);//使能通道//=====================[USART0_RX = DMA_CH2]=====================
dma_deinit(USART0_RX_DMA_CH);  //复位DMA通道的相关寄存器
dma_memory_to_memory_disable(USART0_RX_DMA_CH);   //CTL.M2M=0,禁用存储器到存储器模式
dma_transfer_direction_config(USART0_RX_DMA_CH,DMA_PERIPHERAL_TO_MEMORY);  //CTL.DIR,传输方向为外设到存储器
dma_circulation_enable(USART0_RX_DMA_CH);     //CTL.CMEN=1  打开循环模式
dma_priority_config(USART0_RX_DMA_CH,DMA_PRIORITY_HIGH); //CTL.PRIO[1:0]通道的软件优先级
dma_memory_width_config(USART0_RX_DMA_CH,DMA_MEMORY_WIDTH_8BIT);      //CTL.MWIDTH[1:0]配置存储器单个数据宽度
dma_periph_width_config(USART0_RX_DMA_CH,DMA_PERIPHERAL_WIDTH_16BIT); //CTL.PWIDTH[1:0]配置外设单个数据宽度
dma_memory_increase_enable(USART0_RX_DMA_CH);  //CTL.MNAGA存储器地址生成算法为递增
dma_periph_increase_disable(USART0_RX_DMA_CH); //CTL.PNAGA外设地址生成算法为固定不变
//dma_interrupt_enable(USART0_RX_DMA_CH,DMA_INT_FTF);  //CTL.FTFIE 使能传输完成中断
//dma_interrupt_enable(USART0_RX_DMA_CH,DMA_INT_HTF);  //CTL.HTFIE 使能半传输完成中断
//dma_interrupt_enable(USART0_RX_DMA_CH,DMA_INT_ERR);  //CTL.ERRIE 使能传输错误中断
dma_memory_address_config(USART0_RX_DMA_CH, (uint32_t)USART0_rx_dma_buf);   //配置存储器基地址
dma_periph_address_config(USART0_RX_DMA_CH, (uint32_t)&USART_RDATA(USART0));  //配置外设基地址为USART0的RDATA寄存器地址
dma_transfer_number_config(USART0_RX_DMA_CH,USART0_RX_DMA_BUF_SIZE);  //CNT寄存器，设置传输长度
//dma_channel_enable(USART0_RX_DMA_CH);//使能通道

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