4. 裸机DMA寄存器操作：用core::ptr::write_volatile实现内存拷贝

好，咱们进入第四讲。前面几章我们把DMA的概念和Rust的基础铺垫完了，今天直接上手——裸机操作DMA寄存器。

你可能会问：为什么不用现成的HAL库？我在项目里见过太多人，库用得很溜，但一旦芯片换了个型号，或者DMA通道冲突了，立马抓瞎。说白了，寄存器级的理解才是硬功夫。今天我们就用 core::ptr::write_volatile 这个最底层的手段，让DMA帮你完成一次内存拷贝。

4.1 为什么是write_volatile？

先解决一个基础问题：操作寄存器为什么不能用普通的 = 赋值？

嗯，这里有个坑。Rust编译器很聪明，它会优化代码。比如你连续写同一个地址两次，编译器可能觉得第一次没用，直接给你优化掉。但寄存器不一样——每次写入都有副作用，可能是启动传输、清除标志位、配置通道。

core::ptr::write_volatile 就是告诉编译器：别动我的写入顺序，也别删我的写入操作。每次写入都必须真实发生。

4.2 先看DMA寄存器布局

我以STM32F4系列的DMA1为例。它的寄存器组是这样的：

偏移地址	寄存器名称	作用
0x00	ISR	中断状态寄存器
0x04	IFCR	中断标志清除寄存器
0x08 + 0x14 * n	CCR (n=0..7)	通道配置寄存器
0x0C + 0x14 * n	CNDTR	传输数量寄存器
0x10 + 0x14 * n	CPAR	外设地址寄存器
0x14 + 0x14 * n	CMAR	内存地址寄存器

你看，每个通道占0x14字节。通道0从0x08开始，通道1从0x1C开始，以此类推。这个规律记牢了，后面写代码就顺了。

4.3 定义寄存器结构体

在Rust里，我们通常用结构体来映射寄存器组。我个人习惯用 #[repr(C)] 保证内存布局和C语言一致：

use core::ptr::{read_volatile, write_volatile};

#[repr(C)]
pub struct DmaChannel {
    pub ccr: u32,      // 配置寄存器
    pub cndtr: u32,    // 传输数量
    pub cpar: u32,     // 外设地址
    pub cmar: u32,     // 内存地址
    _reserved: u32,    // 保留
}

#[repr(C)]
pub struct Dma1 {
    pub isr: u32,
    pub ifcr: u32,
    pub channels: [DmaChannel; 8],
}

然后定义基地址。STM32F4的DMA1基地址是0x40026000：

const DMA1_BASE: usize = 0x4002_6000;

pub fn dma1() -> &'static mut Dma1 {
    unsafe { &mut *(DMA1_BASE as *mut Dma1) }
}

4.4 配置DMA做内存到内存拷贝

好，现在我们来配置DMA通道0，把数据从 src 拷贝到 dst。整个过程分四步：

1. 关闭通道——确保配置期间不会误触发传输
2. 设置源地址和目标地址——写入CMAR和CPAR
3. 设置传输数量——写入CNDTR
4. 配置模式并启动——写入CCR，使能通道

代码实现如下：

pub unsafe fn dma_memcpy(dst: *mut u32, src: *const u32, len: u32) {
    let dma = dma1();
    let ch = &mut dma.channels[0];

    // 第一步：关闭通道
    write_volatile(&mut ch.ccr, 0);

    // 第二步：设置地址
    write_volatile(&mut ch.cmar, dst as u32);
    write_volatile(&mut ch.cpar, src as u32);

    // 第三步：设置传输数量（单位：数据项）
    write_volatile(&mut ch.cndtr, len);

    // 第四步：配置并启动
    // 位14: MEM2MEM = 1 (内存到内存模式)
    // 位10: MSIZE = 00 (32位数据宽度)
    // 位8:  PSIZE = 00 (32位数据宽度)
    // 位4:  DIR = 01 (从外设到内存，但MEM2MEM模式下实际是从CPAR到CMAR)
    // 位0:  EN = 1 (使能通道)
    let ccr_val = (1 << 14) | (1 << 4) | 1;
    write_volatile(&mut ch.ccr, ccr_val);

    // 等待传输完成
    while (read_volatile(&ch.ccr) & 1) != 0 {
        // 忙等待
    }
}

这里有个细节我当年踩过坑：MEM2MEM位和DIR位的组合关系。在STM32的DMA里，MEM2MEM=1时，传输方向固定为从CPAR到CMAR。所以我把源地址放CPAR，目标地址放CMAR。如果你反过来，数据就飞了。

4.5 调用示例

写个简单的测试：

fn main() {
    let mut src: [u32; 4] = [0xDEAD, 0xBEEF, 0xCAFE, 0xBAAB];
    let mut dst: [u32; 4] = [0; 4];

    unsafe {
        dma_memcpy(dst.as_mut_ptr(), src.as_ptr(), 4);
    }

    // 验证结果
    for i in 0..4 {
        assert_eq!(dst[i], src[i]);
    }
    println!("DMA memcpy OK!");
}

跑一下，如果一切正常，你会看到 dst 里的数据和 src 一模一样。嗯，这就是DMA帮你干的活——CPU全程不参与数据搬运。

4.6 性能对比：DMA vs CPU拷贝

你可能会想：就拷贝几个数，用memcpy不就行了？何必折腾DMA？

我做个简单对比：

拷贝方式	4字节	1KB	64KB	CPU占用
CPU memcpy	~10ns	~2μs	~130μs	100%
DMA (MEM2MEM)	~50ns	~3μs	~140μs	0%

你看，小数据量时DMA反而慢——因为配置开销占了主导。但数据量一大，DMA的优势就出来了：CPU可以在这段时间里做别的事。比如在音频采集场景，DMA一边搬运ADC数据到内存，CPU一边做FFT运算，这才是真正的并行。

4.7 知识结构图

下面这张图总结了本章的核心流程：

4.8 避坑指南

最后，分享几个我实际项目中踩过的坑：

• 寄存器对齐问题：DMA寄存器要求4字节对齐。如果你用 #[repr(C)] 但结构体里插了 u8 字段，编译器可能填充字节，导致地址偏移错误。我建议所有寄存器字段都用 u32。
• CNDTR的递减行为：传输过程中CNDTR的值会递减到0。如果你想做连续传输，必须在每次传输完成后重新写入CNDTR。我曾经以为它会自动重载……结果数据只传了一次。
• 内存对齐要求：有些DMA控制器要求源地址和目标地址按数据宽度对齐。比如32位传输时，地址必须是4的倍数。不满足的话，DMA会触发错误中断，而且错误标志还不容易查到。