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STM32中的DMA：如何让CPU“躺平”，数据自己跑？

你有没有遇到过这样的场景：

• 用ADC采集传感器数据，每毫秒一次，结果发现CPU一半时间都在读寄存器；
• 串口发日志卡顿，一查发现是printf占用了主循环；
• 想做音频播放或波形输出，但数据流太大，中断频繁到系统崩溃。

如果你点头了——恭喜，你已经踩进了嵌入式开发的“高带宽陷阱”。而破局的关键，就藏在STM32里那个被很多人忽略的外设：DMA。

为什么我们需要DMA？

先说个扎心事实：CPU不是干搬运工活的。

它的真正职责是决策、计算和调度。可现实中，我们却常常让它去做最枯燥的事——一个字节一个字节地搬数据。

比如通过USART发送一串字符串：

for (int i = 0; i < len; str++) { while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // 等待发送寄存器空 USART1->DR = *str; // 写入数据 }

这段代码看似简单，实则让CPU全程“盯梢”硬件状态。如果要发1KB的数据？那CPU就得忙几百微秒，期间啥也干不了。

而DMA的作用，就是把这个苦力活交给专用硬件模块来完成。你只管说：“我要把这块内存的数据送到USART，完成后叫我一声。”然后转身去处理更重要的事，甚至进入睡眠模式省电。

一句话总结：DMA = 数据搬运外包公司，专治CPU过劳症。

DMA到底怎么工作的？从“请求—通道—流”讲起

STM32的DMA控制器不像你想象中那么“智能”，它更像是一个听指令办事的流水线工人。整个过程可以拆解为四个关键环节：

1. 谁发起任务？——外设的DMA请求

当某个外设（如ADC转换完成、USART准备接收）时，它会向DMA控制器发出一个信号：“我需要数据！”这个信号叫做DMA Request（请求）。

例如：
- ADC完成一次采样 → 触发DMA请求
- USART的TDR寄存器变空 → 请求下一笔数据

这些请求不会直接找CPU，而是连到DMA控制器的输入端口上。

2. 谁来执行任务？——DMA通道与流

以STM32F4系列为例，芯片有两个DMA控制器（DMA1和DMA2），每个控制器有多个Stream（流），每个流又可绑定不同的Channel（通道）。

你可以这样理解：
-Stream是一条独立的数据搬运通道（类似高速公路车道）
-Channel决定这条流服务哪个外设（比如选了Channel=4，就表示这条路专供USART1使用）

⚠️ 注意：不同外设可能共享同一个通道编号，但不能同时激活。你需要查参考手册确认映射关系。

3. 搬什么？怎么搬？——三大传输参数

每次启动DMA前，必须告诉它三件事：

此外还要设置：
- 地址是否自动递增（内存通常递增，外设寄存器不递增）
- 数据宽度（8/16/32位匹配外设需求）
- 传输方向（内存→外设？外设→内存？）

一旦配置好并启用，DMA就会接管总线控制权，逐拍完成数据拷贝，全程无需CPU插手。

4. 完成后通知我！——中断回调机制

虽然搬运过程全自动，但我们往往希望知道“什么时候搬完了”。

这时就可以开启DMA的中断功能。常见的标志包括：
- TCIF：传输完成（Transfer Complete Interrupt Flag）
- HTIF：半传输中断（Half Transfer）
- TEIF：传输错误

在中断服务函数中清除标志，并调用用户定义的回调函数即可实现事件响应。

实战教学：用DMA实现无阻塞串口发送

下面我们以最常见的应用场景为例：使用DMA通过USART发送日志信息。

第一步：打开相关时钟

任何外设操作之前，先得供电。

// 开启DMA2和USART1时钟 RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_DMA2EN; RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;

第二步：配置DMA参数（HAL库方式）

这里推荐初学者使用HAL库简化流程：

DMA_HandleTypeDef hdma_tx; hdma_tx.Instance = DMA2_Stream7; // 使用DMA2的Stream7 hdma_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_4; // 对应USART1_TX hdma_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;// 内存→外设 hdma_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; // 外设地址不变 hdma_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; // 内存地址递增 hdma_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE; hdma_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE; hdma_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL; // 单次模式 hdma_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW; hdma_tx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE; if (HAL_DMA_Init(&hdma_tx) != HAL_OK) { Error_Handler(); }

第三步：关联DMA与UART句柄

为了让HAL库知道该用哪个DMA实例，需要用宏连接：

__HAL_LINKDMA(&huart1, hdmatx, hdma_tx);

这行代码的意思是：“以后huart1的发送任务，交给hdma_tx去办。”

第四步：启动DMA传输

有两种方式可以选择：

方法一：一键启动（推荐新手）

uint8_t msg[] = "Hello from DMA!\r\n"; HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, msg, sizeof(msg));

从此刻起，CPU就可以继续执行其他任务，甚至进入低功耗模式，而DMA会在后台默默把数据推给USART。

方法二：手动寄存器操作（适合想深入底层的同学）

DMA2_Stream7->PAR = (uint32_t)&(USART1->DR); // 目标地址：USART数据寄存器 DMA2_Stream7->M0AR = (uint32_t)msg; // 源地址：内存缓冲区 DMA2_Stream7->NDTR = sizeof(msg); // 传输字节数 // 配置控制寄存器 DMA2_Stream7->CR = (0 << 6) | // 清方向位：内存→外设 DMA_SxCR_MINC | // 内存递增 DMA_SxCR_PSIZE_0 | // 外设大小：8位 DMA_SxCR_MSIZE_0 | // 内存大小：8位 DMA_SxCR_EN; // 启动流！ // 别忘了开启USART的DMA使能位 USART1->CR3 |= USART_CR3_DMAT;

看到没？真正的“启动”只需要写几个寄存器，剩下的全由硬件搞定。

第五步：传输完成怎么办？加个回调！

你肯定想知道“发完了吗？”所以我们要注册一个回调函数：

void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) { if (huart->Instance == USART1) { // 可在此处启动下一轮发送，或点亮LED提示完成 HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET); } }

只要你在工程中定义了这个弱函数，HAL库就会自动调用它。

更高级玩法：ADC多通道循环采集 + DMA

这才是DMA的杀手级应用之一。

设想你要同时采集温度、湿度、光照三个传感器信号，频率要求1kHz。传统做法是轮流启动ADC+等待EOC中断，效率极低且容易漏采。

而用DMA，方案如下：

配置要点：

1. ADC设置为连续扫描模式
2. 启用ADC的DMA请求
3. DMA设为循环模式（Circular Mode）
4. 目标缓冲区为一个固定长度数组

#define ADC_BUF_LEN 3 uint16_t adc_results[ADC_BUF_LEN]; // 配置DMA为循环模式 hdma_adc.Init.Mode = DMA_CIRCULAR; // 关键！自动重复填充

一旦启动，会发生什么？

• ADC按顺序采集CH0、CH1、CH2
• 每次转换结束，DMA自动将ADC->DR中的值搬到adc_results[i]
• 当最后一个通道完成，DMA回到第一个位置重新覆盖
• 整个过程无需中断，CPU完全解放！

你可以每隔一段时间去读取adc_results进行滤波处理，或者结合DMA双缓冲模式实现无缝切换。

新手必看：那些年我们都踩过的坑

DMA虽强，但也容易出问题。以下是几个典型“翻车现场”及应对策略：

❌ 坑点1：程序跑飞，进BusFault？

原因很可能是地址未对齐！

如果你设置了32位传输模式，但源地址是奇数地址（比如0x20000001），就会触发总线错误。

✅ 解决方法：

uint8_t buffer[100] __attribute__((aligned(4)));

强制让编译器将其分配在4字节对齐的位置。

❌ 坑点2：DMA写入了数据，但我读出来是旧的？

尤其是在STM32F4/F7/H7这类带D-Cache的芯片上常见。

原因是：DMA写的是实际内存，但CPU从缓存里读的是旧副本。

✅ 解决方法：

SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t*)buffer, size);

在CPU访问DMA写入的内存前，先清无效化缓存。

❌ 坑点3：DMA传着传着突然停了？

检查是否开启了全局中断。某些HAL库API内部依赖中断来清理状态。

另外，确保没有其他高优先级DMA请求抢占了总线资源。

✅ 秘籍：调试DMA的小技巧

1. 观察NDTR寄存器
   在IDE调试模式下查看DMAx_Streamy->NDTR，它的值应该随着传输逐步减小。

2. 用逻辑分析仪抓信号
   探测DMA Busy或DMA Request引脚，验证传输节奏是否符合预期。

3. 打印ITM日志
   使用SWO输出关键事件时间戳，避免因断点暂停导致DMA超时。

设计哲学：让合适的人做合适的事

掌握DMA的意义，远不止于学会一个外设配置。

它背后体现的是一种系统级思维转变：

当你开始思考“这部分能不能甩给DMA”，你就离高手不远了。

举几个实战思路：
-低功耗采集系统：RTC定时唤醒 → ADC+DMA采集 → 立即进入STOP2模式
-音频播放：I2S + DMA + 双缓冲 → 实现流畅音乐输出
-图像传输：LCD驱动中用DMA推送像素数据，释放CPU渲染UI

结语：从“搬砖”到“架构”

DMA不是一个炫技工具，而是构建高效嵌入式系统的基石。

对于刚入门的开发者，建议按照以下路径渐进学习：

1. 先用STM32CubeMX生成DMA配置代码，观察其行为
2. 尝试修改为纯HAL库调用，理解每一行的作用
3. 最后尝试手动操作寄存器，彻底吃透底层机制

你会发现，原本让你头疼的性能瓶颈，在DMA面前变得迎刃而解。

正如一位资深工程师所说：“优秀的嵌入式系统，不是看CPU多快，而是看它有多‘懒’。”

现在，轮到你让STM32的CPU真正“躺平”了。

如果你在实践过程中遇到了具体问题，欢迎留言交流，我们一起排查DMA的每一个细节。