DMA（直接内存访问）

DMA（Direct Memory Access）允许外设与内存之间直接传输数据，不需要 CPU 参与。这就像给 CPU 请了一个"搬运工"，CPU 可以去做更重要的事情，数据搬运由 DMA 自动完成。

---

一、为什么需要 DMA？

没有 DMA 时（CPU 搬运数据）

假设我们要用 ADC 连续采集 1000 个数据：

for (int i = 0; i < 1000; i++)
{
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);  // CPU 在这里等！
    buffer[i] = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);               // CPU 搬运数据
}

问题：CPU 大部分时间在等待和搬运数据，无法做其他事情。

有 DMA 时

// 配置一次，然后启动
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)buffer, 1000);
// ADC 每转换完成一次，DMA 自动把数据从 ADC->DR 搬到 buffer[i]
// CPU 完全不参与！可以去处理其他任务

graph LR
    subgraph 无 DMA
        CPU1[CPU] --> |"1.启动ADC"| ADC1[ADC]
        ADC1 --> |"2.等待完成"| CPU1
        CPU1 --> |"3.读数据"| ADC1
        CPU1 --> |"4.写入内存"| MEM1[内存]
    end
    subgraph 有 DMA
        CPU2[CPU 做其他事] -.-> |"只需初始配置"| DMA2[DMA]
        ADC2[ADC] --> |"自动搬运"| DMA2
        DMA2 --> |"自动写入"| MEM2[内存]
    end

---

二、DMA 基本概念

DMA 控制器概览

STM32F103 有 2 个 DMA 控制器：

DMA 控制器	通道数	总线	服务的外设
DMA1	7 个通道	AHB	ADC1, USART1/2/3, SPI1/2, I2C1/2, TIM1/2/3/4
DMA2	5 个通道	AHB	ADC3, USART4, SPI3, TIM5/6/7/8（仅大容量型号）

通道 ≠ 可以随意选择

每个外设对应固定的 DMA 通道。例如 ADC1 只能用 DMA1 通道 1，USART1 TX 只能用 DMA1 通道 4。需要查阅数据手册确认。

DMA1 通道对应表（常用）

通道	外设请求源
CH1	ADC1, TIM2_CH3, TIM4_CH1
CH2	USART3_TX, TIM1_CH1, TIM2_UP, SPI1_RX
CH3	USART3_RX, TIM1_CH2, TIM3_CH4, SPI1_TX
CH4	USART1_TX, TIM1_CH4, TIM4_CH2, SPI2_RX, I2C2_TX
CH5	USART1_RX, TIM1_UP, TIM2_CH1, SPI2_TX, I2C2_RX
CH6	USART2_RX, TIM1_CH3, TIM3_CH1, I2C1_TX
CH7	USART2_TX, TIM2_CH2, TIM4_CH3, I2C1_RX

三种传输方向

方向	说明	典型应用
外设 → 内存	从外设数据寄存器读取，写入内存数组	ADC 采集、USART 接收
内存 → 外设	从内存数组读取，写入外设数据寄存器	USART 发送、DAC 输出
内存 → 内存	在两个内存地址之间拷贝数据	数据缓冲区复制

---

三、CubeMX 中配置 DMA

在 HAL + CubeMX 工作流中，DMA 的配置非常简单——在外设配置页面的 DMA Settings 标签页中添加 DMA 通道即可。CubeMX 会自动选择正确的通道并生成所有初始化代码。

关键配置参数

在 CubeMX 的 DMA Settings 中，需要设置以下参数：

参数	含义	常用设置
Direction	传输方向	Peripheral To Memory / Memory To Peripheral
Mode	工作模式	Normal（单次）/ Circular（循环）
Increment Address - Peripheral	外设地址是否递增	通常不勾选（外设寄存器地址固定）
Increment Address - Memory	内存地址是否递增	通常勾选（依次写入数组）
Data Width - Peripheral	外设数据宽度	Byte / Half Word / Word
Data Width - Memory	内存数据宽度	与外设数据宽度匹配
Priority	优先级	Low / Medium / High / Very High

HAL 中的 DMA 使用特点

使用 HAL 库时，你通常不需要直接操作 DMA 寄存器或函数。外设的 HAL 函数（如 HAL_ADC_Start_DMA()、HAL_UART_Transmit_DMA()）会自动管理 DMA 的启动、传输和回调。

工作模式

Normal 模式（单次）Circular 模式（循环）

传输完设定数量的数据后停止。如果需要再次传输，必须重新调用启动函数。

传输 N 次 → 停止 → 需重新调用 Start_DMA

传输完成后自动回到起始地址，重新开始传输。适合连续采集场景。

传输 N 次 → 自动回到起点 → 继续传输 → 永不停止

---

四、DMA 编程实战（CubeMX + HAL）

示例 1：DMA 搬运 ADC 数据

连续采集 ADC 通道 0 的数据，存入缓冲区（不占用 CPU）：

CubeMX 配置：

1. Analog → ADC1 使能 IN0（PA0），Continuous Conversion = Enabled
2. DMA Settings → Add → ADC1
   • Direction: Peripheral To Memory
   • Mode: Circular
   • Data Width: Half Word（ADC 是 12 位，16 位存储）
3. 生成代码

/* main.c */

#define ADC_BUFFER_SIZE  100
uint16_t adc_buffer[ADC_BUFFER_SIZE];

/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_ADCEx_Calibration_Start(&hadc1);                           // 校准
HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, ADC_BUFFER_SIZE);  // 启动 ADC + DMA
/* USER CODE END 2 */

/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    // adc_buffer 会被 DMA 自动持续更新
    // 直接读取即可，CPU 完全不需要参与数据搬运

    uint32_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < ADC_BUFFER_SIZE; i++)
        sum += adc_buffer[i];
    uint16_t avg = sum / ADC_BUFFER_SIZE;

    printf("ADC avg = %d\r\n", avg);
    HAL_Delay(500);
    /* USER CODE END WHILE */
}

示例 2：DMA 发送串口数据

用 DMA 发送一串字符，CPU 启动后就可以做别的事情：

CubeMX 配置：

1. Connectivity → USART1 配置好波特率
2. DMA Settings → Add → USART1_TX
   • Direction: Memory To Peripheral
   • Mode: Normal
   • Data Width: Byte
3. 生成代码

/* main.c */

char tx_buffer[] = "Hello DMA!\r\n";

/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    // DMA 方式发送，函数立即返回，CPU 不阻塞
    HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, (uint8_t*)tx_buffer, strlen(tx_buffer));
    HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE END WHILE */
}

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    // DMA 发送完成回调（可选）
    // 可以在这里设置标志位或启动下一次发送
}
/* USER CODE END 4 */

DMA 发送注意事项

DMA 发送期间，不能修改发送缓冲区的数据！因为 DMA 还在读取这块内存。等发送完成回调触发后才能安全修改。

示例 3：内存到内存拷贝

HAL 库也支持纯内存拷贝，但使用场景较少（通常用 memcpy 更简单）。如果需要，可以直接使用 HAL DMA 函数：

uint32_t src_buffer[100] = { /* 源数据 */ };
uint32_t dst_buffer[100];

/* 在 CubeMX 中配置一个 Memory To Memory 的 DMA 通道 */
/* 或者直接使用 HAL_DMA_Start() */

HAL_DMA_Start(&hdma_memtomem, (uint32_t)src_buffer, (uint32_t)dst_buffer, 100);
HAL_DMA_PollForTransfer(&hdma_memtomem, HAL_DMA_FULL_TRANSFER, HAL_MAX_DELAY);

---

五、DMA 回调函数

HAL 库为 DMA 提供了回调机制，通过外设的回调函数通知 CPU：

回调函数	触发时机	使用场景
HAL_ADC_ConvCpltCallback()	ADC DMA 全部传输完成	处理采集完成的数据
HAL_ADC_ConvHalfCpltCallback()	ADC DMA 传输到一半	双缓冲处理
HAL_UART_TxCpltCallback()	UART DMA 发送完成	发送下一包数据
HAL_UART_RxCpltCallback()	UART DMA 接收完成	处理接收数据

/* 以 ADC DMA 为例 */
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef *hadc)
{
    if (hadc->Instance == ADC1)
    {
        // DMA 传输完成，数据已在 adc_buffer 中
        // 在这里处理数据或设置标志位
        data_ready = 1;
    }
}

双缓冲技巧

利用 HalfCpltCallback 和 CpltCallback，可以实现双缓冲：

• 前半段数据传输完成 → CPU 处理前半段，DMA 继续传输后半段
• 后半段数据传输完成 → CPU 处理后半段，DMA 重新传输前半段

这样 CPU 和 DMA 交替工作，不会互相等待。

---

六、常见问题

DMA 传输完成后数据不对？

1. 检查数据宽度：外设和内存的 DataSize 必须匹配（如 ADC 是 16 位，要用 HalfWord）
2. 检查地址递增：外设地址通常不递增，内存地址通常递增
3. 检查 BufferSize：是传输的数据个数，不是字节数
4. 检查传输方向：PeripheralSRC 和 PeripheralDST 不要搞反

DMA 只能传输一次？

检查是否设置为 Normal 模式。Normal 模式下传输完成后停止，如果要持续传输需使用 Circular 模式，或在传输完成中断中重新使能 DMA。

何时使用 DMA？

• 大块数据传输：ADC 多通道连续采集、大量串口数据收发
• CPU 资源紧张：需要 CPU 做复杂计算时，把数据搬运交给 DMA
• 高速传输：DMA 的传输速度通常比 CPU 轮询更快
• 不适合 DMA 的场景：偶尔传输一两个字节（配置 DMA 的开销大于直接搬运）