第二十五章 DMA实验
本章，我们将介绍STM32G474的DMA。我们将利用DMA来实现串口数据传送，并在LCD模块上显示当前的传送进度。
本章分为如下几个小节：
25.1 DMA简介
25.2 硬件设计
25.3 程序设计
25.4 下载验证
25.1 DMA简介
DMA，全称为：Direct Memory Access，即直接存储器访问。DMA传输方式无需CPU直接控制传输，也没有中断处理方式那样保留现场和恢复现场的过程，通过硬件为RAM与I/O设备开辟一条直接传送数据的通路，能使CPU的效率大为提高。
STM32G474最多有2个DMA控制器(DMA1和DMA2)。每个通道都专用于管理来自一个或多个外设的内存访问请求。每个DMA都包含一个仲裁器，用于处理DMA请求之间的优先级。
STM32G474的DMA有以下一些特性：
① 单AHB主总线架构。
② 支持外设到内存、内存到外设、内存到内存和外设到外设数据传输。
③ 作为源和目标访问片上存储器映射设备，如Flash内存，SRAM，AHB和APB外设。
④ 所有DMA通道均可独立配置：
1，每个通道都与来自外围设备的DMA请求信号相关联，或与内存到内存传输中的软件触发器相关联，此配置将由软件完成；
2，请求的优先级可通过软件进行编程（每个通道有4级：非常高、高、中、低），与此同时，还可通过硬件进行编程；
3，源和目标的传输大小是独立的，源地址和目标地址必须与数据大小对齐；
4，支持循环缓冲区管理；
5，要传输的可编程数据数：0到65535；
⑤ 可以为DMA1控制器生成单个中断请求，中断请求可以由三个DMA事件中的任何一个引起：传输完成、传输一半或传输错误。
⑥ 可以为DMA2控制器每个通道生成中断请求。每个中断请求都是由三个DMA事件中的任何一个引起的：传输完成、传输一半或传输错误。
25.1.1 DMA框图
STM32G474有两个DMA控制器，DMA1和DMA2，本章，我们仅针对DMA1进行介绍。
下面先来学习DMA控制器框图，通过学习DMA控制器框图会有一个很好的整体掌握，同时对之后的编程也会有一个清晰的思路。STM32G474的DMA控制器框图如图25.1.1.1所示：
图25.1.1.1 DMA控制器框图
图中，我们标记了5处位置，它们分别是：
① DMA控制器的主从机编程接口，通过该接口可以对DMA的相关控制寄存器进行设置，从而配置DMA，实现不同的功能。
② DMA控制器的外设和存储器接口，用于访问相关外设和存储器。
③ DMA通道：CH1~CH8。
④ DMA控制器的仲裁器，用于仲裁1~8请求源的优先级，保证数据有序传输。
⑤ DMA请求信号。
25.1.2 DMA寄存器
l DMA中断状态寄存器（DMA_ISR）
DMA中断状态寄存器，该寄存器用于管理（读取）通道1~8的中断状态，描述如图25.1.2.1所示：
图25.1.2.1 DMA_LISR寄存器
如果开启了DMA_ISR中这些位对应的中断，则在达到条件后就会跳到中断服务函数里面去，即使没开启，我们也可以通过查询这些位来获得当前DMA传输的状态。这里我们常用的是TCIFx位，即DMA传输完成与否标志。注意此寄存器为只读寄存器，所以在这些位被置位之后，只能通过其他的操作来清除。
l DMA中断标志清除寄存器（DMA_IFCR）
DMA中断标志清除寄存器，该寄存器用于清除通道1~8的中断标志，描述如图25.1.2.2所示：
图25.1.2.2 DMA_LIFCR寄存器
DMA_IFCR的各位就是用来清除DMA_ISR的对应位的，通过写1清除。在DMA_ISR被置位后，我们必须通过向该位寄存器对应的位写入1来清除。
第三个是DMA通道x配置寄存器（DMA_CCRx）（x=1~8，下同）。该寄存器的我们在这里就不贴出来了，见《STM32G4xx参考手册_V7（英文版）.pdf》第12.6.3小节（417页）。该寄存器控制着DMA的很多相关信息，包括数据宽度、外设及存储器的宽度、优先级、增量模式、传输方向、中断允许、使能等都是通过该寄存器来设置的。所以DMA_SxCR是DMA传输的核心控制寄存器。
第四个是DMA通道x数据项数寄存器（DMA_CNDTRx）。这个寄存器控制DMA通道x的每次传输所要传输的数据量。其设置范围为0~65535。并且该寄存器的值会随着传输的进行而减少，当该寄存器的值为0的时候就代表此次数据传输已经全部发送完成了。所以可以通过这个寄存器的值来知道当前DMA传输的进度。特别注意，这里是数据项数目，而不是指的字节数。比如设置数据位宽为16位，那么传输一次（一个项）就是2个字节。
第五个是DMA通道x的外设地址寄存器（DMA_CPARx）。该寄存器用来存储STM32G474外设的地址，比如我们使用串口1，那么该寄存器必须写入0x40013828（USART1_TDR的地址）。如果使用其他外设，修改成相应外设的地址就行了。
最后一个是DMA通道x的存储器地址寄存器（CMARx），该寄存器和DMA_CPARx差不多，但是是用来放存储器的地址的。比如我们使用SendBuf[7800]数组来做存储器，那么我们在DMA_SxM0AR中写入&SendBuff就可以了。
25.2 硬件设计
1. 例程功能
每按下按键KEY0，串口1就会以DMA方式发送数据，同时在LCD上面显示传送进度。打开串口调试助手，可以收到DMA发送的内容。LED0闪烁用于提示程序正在运行。
2. 硬件资源
1）LED灯
LED0 – PE0
2）独立按键
KEY0 – PE12
3）串口1(PB6/PB7连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
4）正点原子1.3寸TFTLCD模块(SPI接口)
3. 原理图
DMA属于STM32G474内部资源，通过软件设置好就可以了。
25.3 程序设计
25.3.1 DMA的HAL库驱动
DMA在HAL库中的驱动代码在stm32g4xx_hal_dma.c文件（及其头文件）中。
1. HAL_DMA_Init函数
DMA的初始化函数，其声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_DMA_Init(DMA_HandleTypeDef *hdma);
l 函数描述：
用于初始化DMA1，DMA2。
l 函数形参：
形参1是DMA_HandleTypeDef结构体类型指针变量，其定义如下：
typedef struct __DMA_HandleTypeDef
{
DMA_Channel_TypeDef *Instance; /* 寄存器基地址 */
DMA_InitTypeDef Init; /* DAM通信参数 */
HAL_LockTypeDef Lock; /* DMA锁对象 */
__IO HAL_DMA_StateTypeDef State; /* DMA传输状态 */
void *Parent; /* 父对象状态，HAL库处理的中间变量 */
void (*XferCpltCallback)( struct __DMA_HandleTypeDef *hdma);/*DMA传输完成回调*/
/* DMA一半传输完成回调 */
void (* XferHalfCpltCallback)( struct __DMA_HandleTypeDef * hdma);
/*DMA传输错误回调*/
void (* XferErrorCallback)( struct __DMA_HandleTypeDef * hdma);
/* DMA传输中止回调 */
void (* XferAbortCallback)( struct __DMA_HandleTypeDef * hdma);
__IO uint32_t ErrorCode; /* DMA存取错误代码 */
DMA_TypeDef *DmaBaseAddress; /* DMA通道基地址 */
uint32_t ChannelIndex; /* DMA通道索引 */
DMAMUX_Channel_TypeDef *DMAmuxChannel;
DMAMUX_ChannelStatus_TypeDef *DMAmuxChannelStatus;
uint32_t DMAmuxChannelStatusMask;
DMAMUX_RequestGen_TypeDef *DMAmuxRequestGen;
DMAMUX_RequestGenStatus_TypeDef *DMAmuxRequestGenStatus;
uint32_t DMAmuxRequestGenStatusMask;
}DMA_HandleTypeDef;
这个结构体内容比较多，上面已注释中文翻译，下面列出几个成员说明一下。
Instance：是用来设置寄存器基地址。
Parent：是HAL库处理中间变量，用来指向DMA通道外设句柄。
其他成员变量是HAL库处理过程状态标识变量，这里就不做过多讲解。
接下来我们重点介绍Init，它是DMA_InitTypeDef结构体类型变量，该结构体定义如下：
typedef struct
{
uint32_t Request; /* 通道请求 */
uint32_t Direction; /* 传输方向，例如存储器到外设DMA_MEMORY_TO_PERIPH */
uint32_t PeriphInc; /* 外设（非）增量模式，非增量模式DMA_PINC_DISABLE */
uint32_t MemInc; /* 存储器（非）增量模式，增量模式DMA_MINC_ENABLE */
uint32_t PeriphDataAlignment; /* 外设数据大小：8/16/32位 */
uint32_t MemDataAlignment; /* 存储器数据大小：8/16/32位 */
uint32_t Mode; /* 模式：外设流控模式/循环模式/普通模式 */
uint32_t Priority; /* DMA优先级：低/中/高/非常高 */
}DMA_InitTypeDef;
我们通过该结构体成配置DMA_CCRx寄存器和DMA_CNDTRx寄存器的相应位。
l 函数返回值：
HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。
以DMA的方式传输串口数据的配置步骤
1）使能DMA时钟。
DMA的时钟使能是通过AHB1ENR寄存器来控制的，这里我们要先使能时钟，才可以配置DMA相关寄存器。HAL库方法为：
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE(); /* DMA1时钟使能 */ __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE(); /* DMA2时钟使能 */
2）初始化DMA。
调用HAL_DMA_Init函数初始化DMA的相关参数，包括配置通道，外设地址，存储器地址，传输数据量等。
HAL库为了处理各类外设的DMA请求，在调用相关函数之前，需要调用一个宏定义标识符，来连接DMA和外设句柄。例如要使用串口DMA发送，所以方式为：
__HAL_LINKDMA(&g_uart1_handle, hdmatx, g_dma_handle);
其中g_uart1_handle是串口初始化句柄，我们在usart.c中定义过了。g_dma_handle是DMA初始化句柄。hdmatx是外设句柄结构体的成员变量，在这里实际就是g_uart1_handle的成员变量。在HAL库中，任何一个可以使用DMA的外设，它的初始化结构体句柄都会有一个DMA_HandleTypeDef指针类型的成员变量，是HAL库用来做相关指向的。hdmatx就是DMA_HandleTypeDef结构体指针类型。
这句话的含义就是把g_uart1_handle句柄的成员变量hdmatx和DMA句柄g_dma_handle连接起来，是纯软件处理，没有任何硬件操作。
这里我们就点到为止，如果大家要详细了解HAL库指向关系，请查看本实验宏定义标识符__HAL_LINKDMA的定义和调用方法，就会很清楚了。
3）使能串口的DMA发送，启动传输。
串口1的DMA发送实际是串口控制寄存器CR3的位7来控制的，在HAL库中操作该寄存器来使能串口DMA发送的函数为HAL_UART_Transmit_DMA。
这里大家需要注意，调用该函数后会开启相应的DMA中断，对于本章实验，我们是通过查询的方法获取数据传输状态，所以并没有做中断相关处理，也没有编写中断服务函数。
HAL库还提供了对串口的DMA发送的停止，暂停，继续等操作函数：
HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAStop(UART_HandleTypeDef *huart); /* 停止 */ HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAPause(UART_HandleTypeDef *huart); /* 暂停 */ HAL_StatusTypeDef HAL_UART_DMAResume(UART_HandleTypeDef *huart); /* 恢复 */
4）查询DMA传输状态。
在DMA传输过程中，我们要查询DMA传输通道的状态，使用的方法是通过检测DMA寄存器的相关位实现：
__HAL_DMA_GET_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC1);
获取当前传输剩余数据量：
__HAL_DMA_GET_COUNTER(&g_dma_handle);
同样，我们也可以设置对应的DMA数据流传输的数据量大小，函数为：
__HAL_DMA_SET_COUNTER (&g_dma_handle, 1000);
DMA相关的库函数我们就讲解到这里，大家可以查看HAL库手册详细了解。
5）DMA中断使用方法。
HAL库提供了通用DMA中断处理函数HAL_DMA_IRQHandler，在该函数内部，会对DMA传输状态进行分析，然后调用相应的中断处理回调函数（例如串口）：
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); /* 发送完成回调函数 */ void HAL_UART_TxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);/* 发送一半回调函数 */ void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart); /* 接收完成回调函数 */ void HAL_UART_RxHalfCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);/* 接收一半回调函数 */ void HAL_UART_ErrorCallback(UART_HandleTypeDef *huart); /* 传输出错回调函数 */
25.3.2 程序流程图
图25.3.2.1 DMA实验程序流程图
25.3.3 程序解析
1. DMA驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考A盘资料本实验对应源码。DMA驱动源码包括两个文件：dma.c和dma.h。
dma.h头文件只有函数得声明，就不解释了，我们直接介绍dma.c的程序。下面是与DMA初始化相关的函数，其定义如下：
/**
* @brief 串口TX DMA初始化函数
* @note 这里的传输形式是固定的, 这点要根据不同的情况来修改
* 从存储器 -> 外设模式/8位数据宽度/存储器增量模式
*
* @param dma_channel_handle : DMA通道
* @retval 无
*/
void dma_init(DMA_Channel_TypeDef *dma_channel_handle)
{
__HAL_RCC_DMAMUX1_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
/* 将DMA与USART1联系起来(发送DMA) */
__HAL_LINKDMA(&g_uart1_handle, hdmatx, g_dma_handle);
/* Tx DMA配置 */
g_dma_handle.Instance = dma_channel_handle; /* DMA通道选择 */
g_dma_handle.Init.Request = DMA_REQUEST_USART1_TX; /* DMA请求选择 */
g_dma_handle.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH; /* 存储器到外设 */
g_dma_handle.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; /* 外设非增量模式 */
g_dma_handle.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; /* 存储器增量模式 */
/* 外设数据长度:8位 */
g_dma_handle.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
/* 存储器数据长度:8位 */
g_dma_handle.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
g_dma_handle.Init.Mode = DMA_NORMAL; /* 外设流控模式 */
g_dma_handle.Init.Priority = DMA_PRIORITY_MEDIUM; /* 中等优先级 */
HAL_DMA_DeInit(&g_dma_handle);
HAL_DMA_Init(&g_dma_handle);
}
该函数是一个通用的DMA配置函数，DMA1/DMA2的所有通道，都可以利用该函数配置，不过有些固定参数可能要适当修改（比如位宽，传输方向等）。该函数在外部只能修改DMA通道号，更多的其他设置只能在该函数内部修改。对照前面的配置步骤的详细讲解来分析这部分代码即可。
2. main.c代码
main.c代码如下：
const uint8_t TEXT_TO_SEND[]={"正点原子 STM32 DMA 串口实验"}; /* 要循环发送的字符串 */
#define SEND_BUF_SIZE (sizeof(TEXT_TO_SEND)+2)*200 /* 发送数据长度*/
uint8_t g_sendbuf[SEND_BUF_SIZE]; /* 发送数据缓冲区 */
int main(void)
{
uint8_t key = 0;
uint16_t i, k;
uint16_t len;
uint8_t mask = 0;
float pro = 0; /* 进度 */
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(85, 2, 2, 4, 8); /* 设置时钟,170Mhz */
delay_init(170); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
dma_init(DMA1_Channel1); /* 初始化DMA */
lcd_show_string(10, 10, 140, 32, 32, "STM32", RED);
lcd_show_string(10, 42, 140, 24, 24, "DMA TEST", RED);
lcd_show_string(10, 66, 140, 24, 24, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(10, 96, 200, 24, 24, "KEY0:Start", RED);
len = sizeof(TEXT_TO_SEND);
k = 0;
for (i = 0; i < SEND_BUF_SIZE; i++) /* 填充ASCII字符集数据 */
{
if (k >= len) /* 入换行符 */
{
if (mask
{
g_sendbuf[i] = 0x0a;
k = 0;
}
else
{
g_sendbuf[i] = 0x0d;
mask++;
}
}
else /* 复制TEXT_TO_SEND语句 */
{
mask = 0;
g_sendbuf[i] = TEXT_TO_SEND[k];
k++;
}
}
i = 0;
while (1)
{
key = key_scan(0);
if (key == KEY0_PRES) /* KEY0按下 */
{
printf("\r\nDMA DATA:\r\n");
lcd_show_string(10, 130, 200, 16, 16, "Start Transimit....", BLUE);
lcd_show_string(10, 150, 200, 16, 16, " %", BLUE); /* 显示百分号 */
/* 开始一次DMA传输！ */
HAL_UART_Transmit_DMA(&g_uart1_handle, g_sendbuf, SEND_BUF_SIZE);
/* 等待DMA传输完成，此时我们来做另外一些事情，比如点灯。
* 实际应用中，传输数据期间，可以执行另外的任务
*/
while (1)
{
/* 等待DMA1通道1传输完成 */
if (__HAL_DMA_GET_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC1))
{
/* 清除DMA1通道1传输完成标志 */
__HAL_DMA_CLEAR_FLAG(&g_dma_handle, DMA_FLAG_TC1);
HAL_UART_DMAStop(&g_uart1_handle); /* 传输完成以后关闭串口DMA */
break;
}
pro =__HAL_DMA_GET_COUNTER(&g_dma_handle);/* 获取当前还剩余多少数据 */
len = SEND_BUF_SIZE; /* 总长度 */
pro = 1 - (pro / len); /* 得到百分比 */
pro *= 100; /* 扩大100倍 */
lcd_show_num(10, 150, pro, 3, 16, BLUE);
}
lcd_show_num(10, 150, 100, 3, 16, BLUE); /* 显示100% */
/* 提示传送完成 */
lcd_show_string(10, 130, 200, 16, 16, "Transimit Finished!", BLUE);
}
i++;
delay_ms(10);
if (i == 20)
{
LED0_TOGGLE(); /* LED0闪烁,提示系统正在运行 */
i = 0;
}
}
}
main函数的流程大致是：先初始化发送数据缓冲区g_sendbuf的值，然后通过KEY0开启串口DMA发送，在发送过程中，通过__HAL_DMA_GET_COUNTER(&g_dma_handle)获取当前还剩余的数据量来计算传输百分比，最后在传输结束之后清除相应标志位，提示已经传输完成。
25.4 下载验证
将程序下载到开发板后，可以看到LED0不停的闪烁，提示程序已经在运行了。LCD显示的内容如图25.4.1所示：
图25.4.1 DMA实验测试图
我们打开串口调试助手，然后按KEY0，可以看到串口显示如图25.4.2所示的内容：
图25.4.2 串口收到的数据内容
可以看到串口收到了开发板发送过来的数据，同时可以看到TFTLCD上显示了进度等信息，如图25.4.3所示：
25.4.3 DMA串口数据传输中
至此，我们整个DMA实验就结束了，希望大家通过本章的学习，掌握STM32G474的DMA使用。DMA是个非常好的功能，它不但能减轻CPU负担，还能提高数据传输速度，合理的应用DMA，往往能让你的程序设计变得简单。