基于STM32介紹DMA的雙緩沖模式

目前STM32家族中有些系列支持DMA的雙緩沖模式，比如STM32F2/STM32F4/STM32F7等系列。尤其隨著人們對STM32F4/F7系列應(yīng)用不斷拓寬和加深，在設(shè)計中運用到DMA雙緩沖的場合也越來越多。STM32芯片中的DMA又可分為兩大類，一類是通用DMA，一類是專用DMA,比如用于USB,TFT LCD,ETHERNET等外設(shè)應(yīng)用上的DMA。這里要談的是基于通用DMA的話題，不妨以STM32F4系列芯片為例。

關(guān)于STM32F4的DMA雙緩沖傳輸在STM32F4系列的參考手冊里做了簡單描述。因為它是基于介紹了單緩沖模式的DMA介紹之后接著介紹的，稍顯言簡意賅。

相比單緩沖的數(shù)據(jù)流，雙緩沖多了一個DMA存儲區(qū)和相應(yīng)的存儲指針；

如果使能DMA雙緩沖，硬件會自動使能DMA的循環(huán)傳輸模式；

每一批數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，或者說每次傳輸事務(wù)結(jié)束時通過交換存儲指針實現(xiàn)更換存儲區(qū)的目的。

4.DMA雙緩沖模式僅在外設(shè)與存儲器間進行，不支持memoryto Memory間的傳輸。

基于DMA雙緩沖模式的的特點，不難理解在應(yīng)用中必須開辟兩個存儲區(qū)以及存放兩個存儲區(qū)首地址的存儲寄存器，DMA_SxM0AR和DMA_SxM1AR。

DMA_SxM0AR：指向存儲區(qū)0，單緩沖模式下默認(rèn)使用該寄存器做存儲區(qū)指針。

DMA_SxM1AR：指向存儲區(qū)1，僅在DMA雙緩沖模式下才能使用。

DMA正在訪問的當(dāng)前存儲區(qū)由CT@DMA_SxCR位表示

?CT = 0：DMA正在訪問存儲區(qū)0，CPU可以訪問存儲區(qū)1

?CT = 1：DMA正在訪問存儲區(qū)1，CPU可以訪問存儲區(qū)0

使用DMA雙緩沖傳輸,既可以減少CPU的負(fù)荷，又能最大程度地實現(xiàn)DMA數(shù)據(jù)傳輸和CPU數(shù)據(jù)處理互不打擾又互不耽擱，同時也給應(yīng)用開發(fā)也帶來方便。比如，假設(shè)你使用DMA單存儲緩沖，有些情況下可能是等待DMA搬完了數(shù)據(jù)，CPU才過來處理；有些情況下可能是DMA一邊傳輸，CPU也一邊來訪問，這時往往會使用到環(huán)形存放和讀取，代碼實現(xiàn)起來稍顯繁瑣也容易出紕漏。如果改為DMA雙緩沖模式，應(yīng)用上實現(xiàn)起來也就簡潔很多。再加上DMA雙緩沖模式的循環(huán)特性，使用它對存儲區(qū)的空間容量要求也會大大降低。尤其在大批量數(shù)據(jù)傳送時，你只需開辟兩個合適大小的存儲區(qū)，能滿足DMA在切換存儲區(qū)時的當(dāng)前新存儲區(qū)空出來就好，并不一定要開辟多大多深的存儲空間。有過這方面應(yīng)用經(jīng)驗的工程師可能就有體會，單純一味地加大雙緩沖區(qū)的深度并不明顯改善數(shù)據(jù)傳輸狀況。

關(guān)于這點不妨打個比方，某茶館有倆芳名分別為CPU和DMA的伺茶MM，,每人手里有個同樣茶壺。DMA負(fù)責(zé)把她手里的茶壺裝滿茶水就好，CPU就負(fù)責(zé)用從DMA手里接過裝滿茶水的壺給客人倒茶，倒完了用空壺與DMA交換裝滿茶水的壺繼續(xù)工作。顯然，只要保證CPU妹妹茶壺里總有茶水，至于那兩個茶壺選多大容積并不是很重要。倒是那個茶壺進出口徑對整個事情的效率有影響。

關(guān)于DMA雙緩沖話題，我們也不妨看看一個具體的案例加深下印象。案例來自網(wǎng)絡(luò)，為了盡量壓縮篇幅，我省卻了部分配置代碼，留下需要交流的關(guān)鍵語句。

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F407 DMA的double Buffer mode上卡了好久了！大家看看配置哪里出問題了？

uint8_tBuffer0[] = {0x11,0x22,0x33,0x44}; //無符號的8位整型數(shù)

uint8_tBuffer1[] = {0xaa,0xbb,0xcc,0xdd}; //無符號的8位整型數(shù)

voidUSART3_DMA1_Configuration(void)

{

......

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr= USART3_DR_Addr; //外設(shè)首地

DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr= (uint32_t)Buffer0; //內(nèi)存區(qū)首地址(1)

DMA_InitStructure.DMA_DIR= DMA_DIR_MemoryToPeripheral; //內(nèi)存->外設(shè)

DMA_InitStructure.DMA_BufferSize= 8; //*****傳輸數(shù)據(jù)個數(shù)為8 *****(2)

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc= DMA_PeripheralInc_Disable;

DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc= DMA_MemoryInc_Enable; //

DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize= DMA_PeripheralDataSize_Byte;

DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize= DMA_MemoryDataSize_Byte;

DMA_InitStructure.DMA_Mode= DMA_Mode_Circular; //循環(huán)傳輸

……

DMA_DoubleBufferModeConfig(DMA1_Stream3,(uint32_t)Buffer1, DMA_Memory_1);//(3)

DMA_DoubleBufferModeCmd(DMA1_Stream3,ENABLE);//(4)enable double buffle

DMA_Init(DMA1_Stream3,&DMA_InitStructure);

DMA_Cmd(DMA1_Stream3,ENABLE); //使能 DMA1_Stream3通道

DMA_ClearITPendingBit(DMA1_Stream3,DMA_IT_TCIF3);

DMA_ITConfig(DMA1_Stream3,DMA_IT_TC, ENABLE);

}

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發(fā)帖者述說，如果將藍(lán)色語句(3)的DMA_Memory_1改成DMA_Memory_0的話，就能正常打印出 11 22 33 44 aa bb cc dd，如果換成DMA_Memory_1的話，現(xiàn)象就不對了！輸出的結(jié)果卻是aa bb cc dd 15 00 08 52。請問是怎么回事？

顯然發(fā)帖者使用STM32F4系列芯片DMA的雙緩沖功能，應(yīng)該只是做做實驗而已。他開辟了兩個長度均為4字節(jié)的緩沖存儲區(qū)BUFFER0和BUFFER1。從基于ST固件庫函數(shù)代碼配置角度看，雙緩沖模式相比單緩沖模式，就是多了(3)(4)兩句，其它都一樣。這里我們特別留意下其中（1）（2）（3）句配置代碼。

綠色語句(1)配置了存儲區(qū)0指針指向的地址；

紅色代碼語句(2)處給出了DMA每輪的傳輸數(shù)據(jù)個數(shù)8；

藍(lán)色代碼語句(3)處配置存儲區(qū)1的地址和選擇第一個當(dāng)前存儲區(qū)；

整體上看，該配置都配置了。結(jié)合我們上面的原理介紹，可以看出紅色代碼語句(2)配置每輪DMA傳輸個數(shù)為8有點問題，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寬度為BYTE，兩個緩沖區(qū)各自空間大小為4 BYTE。也就是說每傳輸4個BYTE數(shù)據(jù)就輪換存儲區(qū)重開下一輪傳輸，每輪DMA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個數(shù)應(yīng)該是4而不是8。

現(xiàn)在發(fā)帖者反饋的是調(diào)整語句（3）便會呈現(xiàn)不同的結(jié)果，當(dāng)把第(3)句的當(dāng)前存儲區(qū)改為Memory0時就會呈現(xiàn)貌似正確的結(jié)果。那是為什么呢？

其實這個貌似正確的結(jié)果是種巧合的假象。巧合的是在定義BUFFER0和BUFFER1時，因為二者緊鄰在一起定義，編譯器剛好把二者安排在連續(xù)的8個字節(jié)存儲單元。而發(fā)帖者又剛好將每輪DMA傳輸數(shù)據(jù)個數(shù)定義為8個緩沖單元,這意味著每傳輸8個緩沖單元數(shù)據(jù)才切換緩沖區(qū)。當(dāng)從Memory0即BUFFER0開始傳輸時，連續(xù)的8個數(shù)據(jù)在第一輪就讀了出來，也就是說這8個數(shù)據(jù)并未經(jīng)過緩沖區(qū)的切換就讀出來了。而當(dāng)發(fā)帖者把第(3)句的第一次使用的當(dāng)前存儲區(qū)改為Memory1時就沒那么幸運了。因為這次DMA從BUFFER1開始連續(xù)讀取8個數(shù)據(jù)單元，讀完BUFFER1內(nèi)的4個單元后，后面的4個緩存單元就是些不確定的數(shù)據(jù)，自然一眼就看出結(jié)果不對了。

實際上，當(dāng)把上面紅色代碼語句(2)處的DMA傳輸數(shù)據(jù)個數(shù)調(diào)整為4時就結(jié)果正常了，至于第（3）句的起始當(dāng)前緩沖區(qū)的選擇無關(guān)緊要。

有人在使用DMA雙緩沖模式時，經(jīng)常為這個傳輸個數(shù)糾結(jié)，尤其從單緩沖模式轉(zhuǎn)為雙緩沖模式時。其實，不管單緩沖還是雙緩沖模式，對于整體需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個數(shù)是不會增減的，只是雙緩沖模式由之前的單緩沖模式變成雙緩沖循環(huán)。一般來講對于那些無需循環(huán)的小數(shù)量數(shù)據(jù)傳輸沒必要使用DMA雙緩沖模式。

相比單緩沖DMA傳輸，雙緩沖模式在設(shè)置DMA傳輸數(shù)據(jù)個數(shù)時應(yīng)更為靈活。比方之前單緩沖DMA傳輸時，每輪傳輸數(shù)據(jù)個數(shù)假設(shè)為1024。當(dāng)改為雙緩沖循環(huán)模式時，對應(yīng)每個緩沖區(qū)的DMA傳輸數(shù)據(jù)個數(shù)并不一定要設(shè)置為1024，可能設(shè)置50、100就能滿足要求，因為這里有兩個存儲區(qū)且是不停輪換的。不過，對于這個DMA傳輸數(shù)據(jù)個數(shù)的設(shè)置和使用要注意幾點：

1.該數(shù)據(jù)不要太小，因為DMA傳輸過程中往往伴隨DMA傳輸完成中斷，如果過小會導(dǎo)致中斷頻繁和切換頻繁，并非好事。

2.該數(shù)據(jù)也不必過大，上面也提過，一味加大緩沖容量對提升傳輸速度并無實質(zhì)改善。同時也得考慮芯片內(nèi)存容量的限制與合理使用。

3.盡管DMA雙緩沖模式基于循環(huán)傳輸，但實際應(yīng)用中DMA傳輸請求總有中止或停止的時候。比如，一副圖像數(shù)據(jù)，完全可能不是剛好結(jié)束在事先設(shè)置的DMA傳輸數(shù)據(jù)個數(shù)的整數(shù)倍的位置點。那么，最后的這批緩沖數(shù)據(jù)因為未滿而不會發(fā)生緩沖交換請求或傳輸完成請求。此時如果不做適當(dāng)?shù)奶幚?，這批緩沖數(shù)據(jù)就可能被無意中丟棄掉。所以，我們在程序中需要設(shè)計些基于兩次緩沖切換的超時機制,及時收取最后一批緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)，以防因不能產(chǎn)生傳輸完成或緩沖切換事件而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。