DMA控制器基础：工作原理、传输类型与传输模式

DMA，全称Direct Memory Access，直接存储器访问。说白了，就是让外设和内存之间能直接“对话”，不用CPU在旁边一句句传话。我刚开始做嵌入式时，总觉得DMA是个黑盒子，后来亲手调过几块板子，才真正摸清了它的脾气。

DMA工作原理：谁在干活？

先看一张图，把DMA的工作流程理清楚。

流程其实就四步：

1. CPU配置DMA：告诉DMA控制器，数据从哪来、到哪去、传多少。
2. 外设发起请求：比如UART收到一个字节，就拉一下DMA请求线。
3. DMA接管总线：DMA控制器拿到总线控制权，开始搬运数据。
4. 传输完成通知：搬完了，DMA发个中断给CPU，说“活干完了”。

三种传输类型

DMA能搬的数据类型，按数据流向分三种。每种我在项目里都踩过坑，一个一个说。

内存到内存（M2M）

这个最简单，就是从一个内存地址拷到另一个。我记得有一次做图像传感器驱动，需要把RAW数据从临时缓冲区搬到处理缓冲区。用CPU memcpy？太慢了。换成DMA M2M传输，CPU直接解放出来做图像算法。

外设到内存（P2M）

这是最常用的类型。外设产生数据，DMA自动搬走，CPU完全不用管。比如UART接收，每来一个字节，DMA就把它存到内存缓冲区里。

这里有个关键点：外设的数据宽度。比如UART是8位，但你的内存缓冲区是32位对齐的。DMA怎么处理？

• 可以设置DMA的源数据宽度为8位，目的数据宽度为32位。
• DMA会自动做数据拼接，4个8位拼成一个32位。
• 但要注意字节序！大端小端搞反了，数据就全乱了。

内存到外设（M2P）

这个和外设到内存正好相反。CPU把数据准备好，DMA负责往外设送。比如SPI发送一个数据包，DMA从内存里取数据，一个一个喂给SPI的发送寄存器。

嗯，这里要注意外设的FIFO深度。如果外设FIFO只有4个字节，你DMA一次传100个字节，外设FIFO满了之后，DMA还在发，数据就丢了。解决办法是开启外设的DMA请求流控，或者用DMA的硬件握手信号。

三种传输模式

传输模式决定了DMA怎么搬、搬完一次之后怎么办。三种模式各有各的用处。

普通模式

最基础的模式。DMA配置好源、目的、长度，启动，传完，停。下次再传，CPU得重新配置一遍。

我刚开始做驱动时，就用的普通模式。每次UART收到一包数据，DMA传完，中断里重新配置DMA。后来发现，如果数据包来得太快，中断还没处理完，下一包就来了，DMA还没准备好，数据就丢了。

循环模式

这个模式很巧妙。DMA传完指定长度后，自动把地址指针重置到起始地址，继续传。无限循环，直到你手动停止。

你想想看，这特别适合音频播放。比如你要播放一段16位、44.1kHz的音频，DMA循环模式从缓冲区取数据送给DAC，CPU只需要往缓冲区里填数据就行。DMA自己在那循环，CPU完全不用管。

但有个坑：缓冲区覆盖。如果CPU填数据的速度赶不上DMA读数据的速度，DMA就会读到脏数据。解决办法是用双缓冲模式。

双缓冲模式

这个模式是我最喜欢的。它有两个缓冲区，DMA正在用A缓冲区往外传数据，CPU往B缓冲区里填数据。等A传完了，DMA自动切到B，CPU切到A。两个缓冲区乒乓操作，互不干扰。

我曾经在一个高速数据采集项目里用过双缓冲。ADC以10Msps采样，每采样一个16位数据，DMA就搬到一个缓冲区。一个缓冲区满了，DMA切到另一个，同时CPU处理已满的缓冲区。这样数据流完全不断，CPU也有充足时间处理数据。

小结一下

DMA的核心价值，就是把CPU从数据搬运的苦活里解放出来。三种传输类型对应不同的数据流向，三种传输模式对应不同的工作节奏。选对了，系统性能能翻倍；选错了，调试起来能让你怀疑人生。

我个人建议，新手先从外设到内存的普通模式开始练手，比如用DMA接收UART数据。跑通了，再尝试循环模式和双缓冲模式。一口吃不成胖子，DMA这东西，得慢慢摸透它的脾气。