2. DMA 基础回顾：工作原理、传输模式与请求仲裁

在深入串口 DMA 乒乓操作之前，必须牢固掌握 DMA 的核心机制。DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）允许外设或存储器之间直接交换数据，无需 CPU 逐字节干预。本章将系统梳理 DMA 的工作原理、三种传输模式以及请求与仲裁逻辑，为后续双缓冲设计打下硬件基础。

2.1 DMA 工作原理：从 CPU 卸载到专用通道

传统无 DMA 的串口收发中，CPU 需在每个字节到达或发送完成后进入中断服务函数，将数据从 DR 寄存器搬运到内存缓冲区。这种方式在高速通信（如 1 Mbps 以上）时会严重占用 CPU 时间，导致系统无法处理其他实时任务。

DMA 控制器本质上是一个独立的总线主设备，它拥有自己的地址寄存器、计数器和控制逻辑。一次典型的 DMA 传输包含以下四个阶段：

1. 请求阶段：外设（如 USART）产生 DMA 请求信号（TXE / RXNE），通知 DMA 控制器需要传输一个数据单元。
2. 仲裁阶段：当多个 DMA 通道同时请求时，仲裁器根据优先级规则选择当前最高优先级的通道。
3. 传输阶段：DMA 控制器从源地址读取数据，写入目标地址，同时更新传输计数器和地址指针。
4. 完成阶段：当传输计数器减至 0 时，DMA 通道产生传输完成中断（TCIF），通知 CPU 数据块已就绪。

2.2 DMA 传输模式：单次、循环与内存到内存

STM32 DMA 控制器支持三种核心传输模式，理解它们的差异是正确配置乒乓操作的前提。

2.3 DMA 请求与仲裁：多通道协同的规则

STM32 系列（如 F4/H7）通常拥有两个 DMA 控制器（DMA1 和 DMA2），每个控制器包含 8 个独立通道。每个通道可以响应多个外设的请求，但同一时刻只能服务于一个外设。

2.3.1 DMA 请求映射

每个外设的 DMA 请求被硬连线到特定的 DMA 通道。以 STM32F4 为例，USART1 的接收请求映射到 DMA2 通道 2，发送请求映射到 DMA2 通道 7。这种映射关系在参考手册的 DMA 请求映射表中定义，配置时必须严格对应。

2.3.2 仲裁机制

当多个 DMA 通道同时请求总线访问时，仲裁器根据以下规则决定优先级：

• 软件优先级：每个通道可配置为低、中、高、最高四个等级。
• 硬件优先级：当软件优先级相同时，通道编号小的优先级更高（如 Channel 1 > Channel 2）。
• 轮询策略：在循环模式下，DMA 控制器采用轮询方式确保所有通道都能获得总线访问机会，避免低优先级通道被饿死。

2.4 DMA 配置关键参数速查

在 HAL 库中配置 DMA 时，以下参数直接影响传输行为：

// HAL 库 DMA 初始化结构体关键成员
DMA_HandleTypeDef hdma_usart1_rx;

hdma_usart1_rx.Instance                 = DMA2_Stream2;     // 数据流选择
hdma_usart1_rx.Init.Channel             = DMA_CHANNEL_4;    // 通道选择
hdma_usart1_rx.Init.Direction           = DMA_PERIPH_TO_MEMORY; // 传输方向
hdma_usart1_rx.Init.PeriphInc           = DMA_PINC_DISABLE; // 外设地址不递增
hdma_usart1_rx.Init.MemInc              = DMA_MINC_ENABLE;  // 内存地址递增
hdma_usart1_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; // 外设数据宽度
hdma_usart1_rx.Init.MemDataAlignment    = DMA_MDATAALIGN_BYTE; // 内存数据宽度
hdma_usart1_rx.Init.Mode                = DMA_CIRCULAR;     // 循环模式（乒乓操作关键）
hdma_usart1_rx.Init.Priority            = DMA_PRIORITY_HIGH; // 优先级
hdma_usart1_rx.Init.FIFOMode            = DMA_FIFOMODE_DISABLE; // 直通模式
hdma_usart1_rx.Init.FIFOThreshold       = DMA_FIFO_THRESHOLD_FULL;
hdma_usart1_rx.Init.MemBurst            = DMA_MBURST_SINGLE;
hdma_usart1_rx.Init.PeriphBurst         = DMA_PBURST_SINGLE;