DMA 基本原理：从“CPU 亲力亲为”到“硬件自动搬运”

大家好，我是你们这堂课的讲师。

要讲清 DMA 请求延迟对 SPI 吞吐率的影响，咱们得先聊聊 DMA 到底是什么。

说白了，DMA 就是 Direct Memory Access，直接存储器访问。它的核心想法很简单：让数据在外设和内存之间自动搬运，别再劳烦 CPU 亲自一条条指令地搬。

你们想想看，如果没有 DMA，CPU 要怎么做 SPI 数据收发？它得执行一个循环：读 SPI 数据寄存器，存到内存；或者从内存拿数据，写到 SPI 数据寄存器。一次一个字节，来来回回。我早期做项目时，就见过主频 72 MHz 的 MCU，SPI 时钟只跑 8 MHz，CPU 就被这简单的数据搬运占用了超过 30% 的算力。这太浪费了。

DMA 控制器的核心功能

DMA 控制器相当于一个专用的硬核搬运工。它有几项关键能力：

• 自主传输：它接管总线控制权，不经过 CPU 执行指令，直接在源地址和目的地址间移动数据。
• 请求响应：外设（比如 SPI）准备好数据后，会发一个硬件请求信号给 DMA。DMA 收到就执行一次传输。
• 多通道并行：一个 DMA 控制器通常有多个通道，可以同时为多个外设服务。当然，同一时刻只能有一个通道占用总线。
• 传输模式灵活：支持单次传输、循环传输、内存到内存、内存到外设、外设到内存等模式。

DMA 的压倒性优势

它解决了什么痛点？我总结了几点最直接的：

你看，差距很明显。尤其在高速 SPI 场景下，CPU 根本跟不上硬件自然节奏。

DMA 怎么工作的？—— 一个标准流程

我做项目调试时，习惯先在心里跑一遍这个流程：

1. CPU 配置 DMA 通道：源地址、目的地址、传输长度、传输模式、外设请求源（比如 SPI 的 TX/RX 请求）。然后使能 DMA。
2. 外设（SPI）启动工作，当 SPI 发送/接收移位寄存器准备好，它会断言对应的 DMA 请求信号。
3. DMA 控制器收到请求，判断优先级和总线仲裁。如果没有更高优先级任务，它就申请总线控制权。
4. DMA 得到总线授权后，在一个时钟周期（或几个）内完成一次数据传：从源地址读取，写入目的地址。
5. DMA 释放总线，等待下一个外设请求。
6. 直到传输计数值减到 0，DMA 产生完成中断通知 CPU。

这里有个隐藏问题：步骤 3 到 4 之间的时间，就是“DMA 请求延迟”。CPU 访问内存、其他通道并发、总线仲裁等因素都会拉长它。后面我们会用数据说话。

上面这张图展示了 DMA 与 SPI、CPU 的关系。注意看红色虚线是请求路径，灰色实线是数据路径。我习惯把“请求到达 DMA”到“DMA 开始执行传输”之间的时间差叫做 DMA 请求延迟。这个指标在高速 SPI 下非常敏感。

什么场景适合用 DMA？

当然，DMA 不是万能的。我一般这样判断：

• 适合：
  • 数据量大，比如 SPI 刷 LCD、读取 SD 卡、高速 ADC 采集。
  • 数据频率固定，外设请求信号规整。SPI、I2S、UART 都是好搭档。
  • CPU 有更重要的任务要做，比如跑算法、处理网络协议。
• 不适合：
  • 偶尔才来一个数据，比如按键中断。用 DMA 反而浪费配置开销。
  • 数据量极小（比如每次传输就 1-2 个字节）。
  • 需要每字节都做复杂判断或变换（DMA 只负责搬，不能算）。