4. DMA控制器原理：传输流程、地址配置与突发传输

DMA，全称是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一遍遍地当搬运工。我早年做第一个带LCD的嵌入式项目时，就是靠CPU逐像素刷屏，结果CPU占用率飙到90%以上，系统几乎干不了别的。后来换成DMA，CPU瞬间就解放了。

这一节，我们就把DMA的底裤扒干净。从传输流程、地址配置，到传输宽度和突发传输，一个一个说清楚。

4.1 DMA传输流程：一次完整的搬运

一次典型的DMA传输，可以拆成5个步骤。我习惯把它叫作“请求→响应→搬运→计数→结束”。

1. 外设发起DMA请求：比如SPI的接收缓冲区非空，或者ADC转换完成，外设会拉高DMA请求信号。
2. DMA控制器仲裁：如果系统里有多个DMA通道，控制器会按优先级决定先响应谁。
3. DMA获得总线控制权：CPU暂时交出总线，DMA成为总线主人。
4. DMA执行传输：从源地址读数据，写到目的地址。每次传输后，源/目的地址和计数器都会更新。
5. 传输完成，释放总线：当计数器减到0，DMA产生完成中断，把总线还给CPU。

嗯，这里要注意：DMA传输期间，CPU虽然不能访问总线，但可以继续执行内部指令——只要不涉及内存访问。所以系统整体吞吐量是提升的。

4.2 源地址与目的地址配置

DMA传输的核心，就是告诉控制器“从哪读，写到哪”。这两个地址的配置方式，决定了你能实现什么样的传输模式。

地址类型	常见配置	典型场景
源地址	外设数据寄存器地址	SPI_DR、ADC_DR、UART_DR
目的地址	内存缓冲区地址	数组、帧缓冲、环形缓冲区
源地址	内存缓冲区地址	从内存发送数据到SPI
目的地址	外设数据寄存器地址	DAC输出、PWM占空比更新

地址递增模式也很关键。大多数DMA控制器支持三种模式：

• 固定地址：每次传输后地址不变。适合外设寄存器——你永远只想读写同一个寄存器。
• 递增地址：每次传输后地址+1（或+传输宽度）。适合内存缓冲区，数据要连续存放。
• 递减地址：用得少，但某些协议栈的栈操作会用到。

4.3 传输宽度：一次搬多少

传输宽度，就是DMA每次搬运的数据位数。常见的有8位、16位、32位。有些高端控制器还支持64位甚至128位。

为什么要有这个参数？因为外设和内存的数据宽度可能不一样。比如：

• SPI硬件是8位寄存器，但你的帧缓冲是32位像素。
• ADC是12位结果，但内存是16位数组。

这时候就需要DMA做宽度匹配。我遇到过最坑的情况：某款MCU的DMA不支持半字（16位）传输，只能用字节或字。结果ADC结果存到内存里，高低字节全乱了。后来我查了三天手册才发现这个限制。

传输宽度	适用外设	注意事项
8位（字节）	UART、SPI（8位模式）、I2C	地址递增步长=1
16位（半字）	SPI（16位模式）、定时器、ADC	地址递增步长=2，注意对齐
32位（字）	LCD控制器、DAC、帧缓冲	地址必须4字节对齐

4.4 突发传输：批量搬运的效率革命

突发传输（Burst Transfer），是DMA提升效率的关键手段。普通传输一次只搬一个数据单元，然后释放总线。突发传输则是一次请求，连续搬多个数据单元，期间一直占用总线。

你想想看，每次申请总线都有开销——仲裁、握手、切换。如果一次申请能搬4个、8个甚至16个数据，总开销就摊薄了。

突发传输的典型配置参数：

• 突发长度：一次突发传输中连续搬运的数据单元个数。常见值：4、8、16。
• 突发类型：固定长度突发（FLB）和增量突发（INCR）。前者每次突发长度固定，后者可以变化。

我举个实际例子。用DMA从内存搬运一帧图像数据到LCD控制器：

• 如果单次传输，每搬一个像素就要申请一次总线。一帧800×480的图像，要申请384,000次总线。
• 如果突发长度=16，只需要申请24,000次。总线利用率大幅提升。

但突发传输不是万能的。有些外设的FIFO深度很浅，比如只有4个字节。如果你突发长度设成16，外设FIFO会溢出。所以突发长度必须≤外设FIFO深度。

4.5 DMA传输的完整流程图

下面这张图，把整个DMA传输的流程和关键配置点串起来了。我建议你把它存下来，以后配置DMA时对照着看。

4.6 实际配置示例：SPI接收的DMA设置

光说不练假把式。我们看一个实际代码片段，配置DMA从SPI接收数据到内存缓冲区。

// 以STM32 HAL库为例，配置DMA从SPI接收数据
// 假设：SPI2, DMA1通道4, 接收缓冲区rx_buf[256]

DMA_HandleTypeDef hdma_spi2_rx;

void DMA_Config(void)
{
    // 1. 使能DMA时钟
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();
    
    // 2. 配置DMA句柄
    hdma_spi2_rx.Instance = DMA1_Channel4;
    hdma_spi2_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;  // 外设到内存
    hdma_spi2_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;      // 外设地址固定
    hdma_spi2_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;          // 内存地址递增
    hdma_spi2_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;  // 8位
    hdma_spi2_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;     // 8位
    hdma_spi2_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL;                 // 普通模式
    hdma_spi2_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;      // 高优先级
    
    // 3. 初始化DMA
    HAL_DMA_Init(&hdma_spi2_rx);
    
    // 4. 将DMA句柄关联到SPI
    __HAL_LINKDMA(&hspi2, hdmarx, hdma_spi2_rx);
    
    // 5. 启动DMA传输
    // 源地址：SPI2数据寄存器 &hspi2.Instance->DR
    // 目的地址：rx_buf
    // 传输长度：256字节
    HAL_SPI_Receive_DMA(&hspi2, rx_buf, 256);
}

4.7 突发传输的配置要点

突发传输的配置，不同MCU差异很大。但有几个通用原则：

• 突发长度 ≤ 外设FIFO深度：否则数据会丢失。我见过有人把突发长度设成16，但UART的FIFO只有8，结果数据错位。
• 内存地址对齐：突发传输通常要求源和目的地址对齐到突发长度的整数倍。比如突发长度=4（32位），地址必须4字节对齐。
• 总线锁定的影响：突发传输期间，DMA一直占用总线。如果系统里有对延迟敏感的外设（比如定时器），要考虑突发长度是否过大。