3. DMA 控制器原理：传输模式与通道仲裁

DMA（Direct Memory Access）控制器是 RAW 图采集系统中连接传感器、内存与处理器的核心数据通路。理解其传输模式与仲裁机制，是优化传输效率、避免数据丢失的前提。本章从硬件架构出发，深入剖析 DMA 的三种传输模式、多通道请求仲裁策略，并结合 RAW 图采集场景给出配置建议。

3.1 DMA 传输模式：单次、突发与循环

DMA 控制器支持三种基本传输模式，分别适用于不同数据流特征。下表从触发方式、传输粒度、适用场景三个维度进行对比：

3.1.1 单次传输模式

单次传输模式下，DMA 每收到一个请求只传输一个数据单元。该模式控制简单，但每次传输后都需要重新仲裁总线，导致大量时钟周期浪费在握手与地址更新上。在 RAW 图采集场景中，单次传输仅适用于传感器输出速率极低（< 1 MSPS）或调试阶段逐像素验证的场景。

3.1.2 突发传输模式

突发传输是 RAW 图采集中最常用的模式。DMA 在获得总线控制权后，连续传输固定长度的数据块，期间不释放总线。突发长度通常可配置为 4、8、16 或 32 拍。对于 RAW 图的行数据，建议将突发长度设置为行像素数的约数，例如 1920 像素的行可配置为 16 拍 × 120 次突发。

// 突发传输配置示例（基于 STM32 DMA 控制器）
DMA_InitTypeDef DMA_InitStruct;
DMA_InitStruct.DMA_Mode = DMA_MODE_NORMAL;       // 非循环模式
DMA_InitStruct.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD; // 16bit RAW
DMA_InitStruct.DMA_MemoryDataSize = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
DMA_InitStruct.DMA_BurstSize = DMA_BURST_16;     // 16 拍突发
DMA_InitStruct.DMA_Number = 1920 / 16;            // 总传输次数 = 行像素 / 突发长度
HAL_DMA_Init(&hdma_raw, &DMA_InitStruct);

3.1.3 循环传输模式

循环传输模式在传输完成后自动重载初始地址和计数值，无需 CPU 重新配置。该模式特别适合连续 RAW 图帧采集，配合双缓冲或环形缓冲区，可实现零 CPU 开销的持续数据流。循环模式的关键在于地址回绕逻辑：当内存地址到达缓冲区末尾时，自动跳回起始地址。

3.2 DMA 通道与请求仲裁

现代 DMA 控制器通常集成多个独立通道，每个通道可独立配置源地址、目的地址、传输宽度和触发源。多通道同时请求时，仲裁器根据优先级策略决定总线使用权。

3.2.1 通道架构

下图展示了一个典型 4 通道 DMA 控制器的内部结构，包含通道寄存器组、仲裁器、地址发生器与总线接口：

3.2.2 请求仲裁策略

当多个通道同时发出 DMA 请求时，仲裁器根据预设策略决定哪个通道获得总线控制权。常见仲裁策略包括：

• 固定优先级： 通道编号越小优先级越高。适用于传感器数据流优先级明确高于其他外设的场景。缺点是低优先级通道可能被饿死。
• 轮询调度： 所有通道按固定顺序轮流获得总线。保证每个通道都有机会传输，但实时性无法保证。
• 加权公平： 为每个通道分配权重，高权重通道获得更多总线时间片。适合 RAW 图采集与显示刷新混合的场景。
• 紧急请求： 支持通道标记为“紧急”，仲裁器优先处理紧急请求。适用于传感器 FIFO 即将溢出的紧急情况。

3.2.3 RAW 图采集的仲裁配置建议

3.3 传输模式与仲裁的协同优化

传输模式与仲裁策略并非独立选择，二者需要协同配置才能达到最优效率。以下给出两个典型场景的配置组合：

3.3.1 场景一：高帧率 RAW 视频流

• 传输模式： 循环传输 + 突发长度 16 拍
• 仲裁策略： 固定优先级，RAW 通道最高
• 缓冲区： 双缓冲，每缓冲 4 行 RAW 数据
• 效果： 总线利用率 > 90%，CPU 零干预

3.3.2 场景二：多传感器同步采集

• 传输模式： 突发传输（非循环），每帧结束后重新配置
• 仲裁策略： 加权公平，各传感器权重按帧率比例分配
• 同步机制： 硬件触发同步，所有通道同时启动
• 效果： 多路数据无冲突，帧对齐精度 < 1 像素时钟