嵌入式DMA实战：串口、SPI、定时器触发与测速避坑指南-北京尧图网络

DMA这东西刚接触嵌入式的人多半会经历三个阶段第一阶段觉得它就是个搬运工配置好寄存器就能用第二阶段发现它动不动就罢工数据对不上、中断不进、传输卡死第三阶段才明白DMA真正的难点从来不是怎么配而是什么时候不该用、用了之后CPU和总线的账怎么算。这篇是嵌入式驱动开发经验系列的第6期专门聊DMA。我会把串口DMA收发、SPI DMA、定时器触发DMA、DMA测速这几个高频场景拆开讲重点放在那些手册上不会写、但实际调试中一定会遇到的东西。不管你是刚把STM32的DMA通道配通还是已经在做AD7606这类高速采集的驱动下面这些内容应该都能对上你的某个具体问题。1. DMA到底在替谁干活先把数据流和总线账算清楚很多人配DMA的时候是照着例程抄的通道号、方向、数据宽度、优先级填完就下载跑通了就过。但一旦出现偶尔丢一个字节传输完成中断进两次测速结果忽高忽低这类问题就完全不知道从哪查。根因往往在于你根本没搞清楚这条数据流上到底有几个主设备在抢总线。1.1 从CPU搬数据到DMA搬数据的本质变化先建立一个最朴素的模型。没有DMA的时候串口收到一个字节触发中断CPU进中断把数据从数据寄存器读出来存到缓冲区退出中断等下一个字节。这个过程里CPU是搬运工每搬一个字节都要付出进中断-读寄存器-写内存-退中断的固定开销。波特率一高比如115200甚至更高CPU就被这些中断切得稀碎主循环里稍微有点耗时操作就会丢数据。DMA的做法是告诉DMA控制器源地址是串口数据寄存器目的地址是我的缓冲区搬N个字节搬完通知我。之后CPU该干嘛干嘛DMA自己在后台完成搬运。这里的关键变化是——搬运这件事从CPU的时间片变成了总线的带宽占用。CPU不再被中断打断但DMA每次搬运都要占用总线周期这个周期是从系统总带宽里扣的。所以第一个要建立的认知是DMA不是免费的它把CPU的时间成本换成了总线带宽成本。在低负载场景下这笔买卖非常划算但在多路DMA同时跑、且都往同一块SRAM写数据的时候总线仲裁就会成为瓶颈表现出来就是每路单独测都正常一起跑就出错。1.2 数据流三要素源、目的、触发源任何一条DMA传输你都要能一句话说清楚三件事源在哪是外设寄存器如USART-DR、SPI-DR、ADC-DR还是内存如一个数组。目的在哪是内存缓冲区还是外设寄存器。谁来触发每一次搬运是外设的硬件请求串口RXNE、SPI TXE、ADC EOC还是软件触发还是定时器事件。这三要素里触发源是最容易出问题的一环。举个例子串口DMA接收触发源是USART的RXNE事件每收到一个字节DMA就搬一次。如果你把DMA配成了内存到内存模式那它根本不会理睬串口的请求自然收不到数据。再比如SPI DMA发送触发源是SPI的TXE发送寄存器空事件DMA每搬一个字节进DRTXE就会再次置位请求下一次搬运形成连续流。我见过一个很典型的错误有人用定时器触发ADC然后想用DMA把ADC数据搬到内存结果DMA配的是软件触发。现象是ADC在正常转换但内存里的数据永远不变。原因就是DMA根本没被ADC的EOC事件触发它只在启动时搬了一次就停了。1.3 通道映射不是随便选的查表这件事不能省STM32的DMA请求和通道或Stream之间是固定映射的不是你想用哪个通道就用哪个。比如STM32F103系列USART1_RX固定映射到DMA1通道5USART1_TX固定映射到DMA1通道4SPI1_RX是通道2SPI1_TX是通道3。你如果给USART1_RX配了通道2那它永远收不到DMA请求。这个映射关系在参考手册的DMA请求映射表里写得清清楚楚但很多人不看凭感觉选通道然后花几个小时排查为什么DMA不进中断。我的习惯是在动手写代码之前先把这条数据流的通道号、触发源、方向在纸上写一遍对照手册确认无误再开始配。这一步花两分钟能省掉后面两小时的抓瞎。对于STM32F4/F7/H7这些用Stream的系列还要注意Stream和Channel的二级映射一个Stream可以挂多个Channel但同一时刻只能选一个。选错了Channel同样是配置全对但就是不工作。1.4 传输模式Normal和Circular的取舍逻辑DMA有两种基本模式Normal搬完N个就停需要手动重启和Circular搬完N个自动回到起点继续搬。选哪个不是拍脑袋决定的取决于你的数据消费方式。串口接收这种持续不断的场景通常用Circular模式配合半传输中断传输完成中断来做双缓冲这样CPU可以在DMA搬前半段的时候处理后半段实现无缝衔接。而像采集固定1024个点然后处理这种一次性任务用Normal模式更合适搬完触发一次中断处理完再手动启动下一轮。这里有个坑Circular模式下传输完成中断会周期性触发如果你在中断里做了耗时操作下一次传输完成可能在你还没处理完的时候就来了。表现出来就是中断里读到的数据被覆盖、或者中断嵌套导致栈溢出。解决办法要么是缩短中断处理时间只做标记主循环处理要么是加大缓冲区让中断间隔变长。2. 串口DMA收发从能收到收得稳之间隔着什么串口DMA是绝大多数人接触DMA的第一个场景也是问题最多的场景。热词里串口dma接收串口dma反复出现说明这块的坑确实密集。下面按接收和发送分开说重点讲那些配通了但用不稳的情况。2.1 串口DMA接收不定长数据的处理才是真难点串口DMA接收最基础的配置是DMA从USART-DR搬到内存缓冲区Circular模式长度设为缓冲区大小。这样数据会源源不断填进缓冲区你只需要在需要的时候去读就行。但问题来了——你怎么知道当前收到了多少字节缓冲区里哪些是新数据这就是不定长接收的核心难点。DMA本身只告诉你搬了多少个通过NDTR寄存器但它不知道你的数据帧边界在哪。常见的解决方案有三种第一种是空闲中断IDLE配合DMA。串口在总线空闲一个字节时间后会触发IDLE中断你在这个中断里读取DMA剩余计数算出这一帧收了多少字节然后处理。这个方案的好处是不依赖协议里的长度字段对任意帧格式都适用。缺点是如果两帧之间没有空闲间隔背靠背发送会合并成一帧。第二种是协议里带长度字段或结束符。比如Modbus RTU用3.5个字符时间的间隔做帧边界或者自定义协议用固定帧头帧尾。这种方式需要你在DMA缓冲区里做解析找到边界后再处理。第三种是定时器超时判定。用一个定时器在每次收到数据时重置超时未收到新数据就认为一帧结束。这个方案对背靠背数据更友好但需要额外的定时器资源。我个人的经验是如果对端是PC或标准协议设备优先用IDLE中断如果是两个MCU之间通信且数据量大用长度字段更可靠。IDLE中断在STM32F1上有个已知问题——清除标志位的顺序不对会导致中断反复触发正确顺序是先读SR再读DR。2.2 串口DMA发送什么时候该等什么时候不该等发送方向相对简单但有个关键决策发送完成之前能不能修改发送缓冲区DMA发送是异步的你启动DMA之后CPU继续往下跑但DMA还在从缓冲区里读数据往串口送。如果你这时候修改了缓冲区内容DMA送出去的就是被改过的数据。所以标准做法是启动DMA发送后要么等传输完成中断再复用缓冲区要么用双缓冲交替发送。对于连续发送大量数据的场景双缓冲是标配。准备两个缓冲区A和BDMA在发A的时候CPU往B里填数据A发完切换DMA去发BCPU再往A里填。这样发送就不会断流。实现上可以用传输完成中断来切换也可以用半传输中断做更细粒度的流水线。有个细节容易被忽略串口DMA发送完成中断触发时最后一个字节可能还在移位寄存器里没发完。如果你在中断里立刻拉低RS485的DE引脚发送使能最后一个字节会被截断。正确做法是等TC传输完成标志置位而不是等DMA的传输完成中断。STM32的USART有专门的TC中断或者你可以在DMA完成中断里轮询TC标志。2.3 收发共存时的通道冲突与优先级当串口同时收发都用DMA时RX和TX占用两个不同的通道这本身没问题。但如果系统里还有SPI DMA、ADC DMA在跑就要考虑优先级了。STM32的DMA通道有四级优先级Very High、High、Medium、Low。优先级决定的是当多个通道同时请求总线时谁先被服务。注意它不决定传输速度只决定仲裁顺序。如果两个通道优先级相同则通道号小的优先。实际配置时的原则是对实时性要求高的用高优先级数据量大但可以容忍延迟的用低优先级。比如串口接收通常比SPI发送更紧急因为串口没有流控的话收慢了就丢数据所以串口RX给HighSPI TX给Medium。但这不是绝对的如果你的SPI接的是显示屏刷新延迟肉眼可见那SPI的优先级就得提上去。还有一个隐藏问题高优先级通道如果持续请求低优先级通道可能被饿死。比如串口以极高波特率持续接收DMA请求几乎不间断那低优先级的ADC DMA可能长时间得不到总线。这种情况要么降低高优先级通道的请求频率比如用FIFO攒一批再搬要么重新分配优先级。3. SPI DMA与定时器触发DMA高速场景下的时序陷阱串口DMA的节奏相对慢问题暴露得也慢。到了SPI DMA和定时器触发DMA这种高速场景时序问题会被放大很多在串口上看起来正常的配置到这里就直接崩了。3.1 SPI DMA的全双工陷阱TX和RX必须同时启动SPI是全双工总线每发送一个字节的同时也会接收一个字节。这个特性在DMA配置上有个硬性要求TX DMA和RX DMA必须同时使能否则会丢数据或卡死。原因在于SPI的工作机制主机拉低CS、开始产生时钟每个时钟周期移出一位同时移入一位。如果你只启动了TX DMARX方向的数据寄存器溢出OVR标志置位SPI会停止工作。反过来只启动RX DMATX没有数据可发时钟根本不会产生RX也收不到东西。所以正确的顺序是先配置好TX和RX两个DMA通道然后先使能RX DMA再使能TX DMA最后使能SPI。这个顺序保证了SPI开始产生时钟的时候两个方向的DMA都已经就绪。我见过有人先使能SPI再使能DMA结果第一个字节就丢了。另外SPI的DMA请求映射也要注意。以STM32F103为例SPI1的RX是DMA1通道2TX是DMA1通道3SPI2的RX是DMA1通道4TX是DMA1通道5。如果你用的是SPI2但按SPI1的通道配那肯定不工作。3.2 定时器触发DMATIM DMA Burst到底解决什么问题热词里出现了stm32的tim dma burst应用这个功能值得单独说。TIM DMA Burst突发允许定时器在特定事件如更新事件、比较匹配时通过DMA一次性向定时器的多个寄存器写入数据。典型应用是用DMA动态修改PWM的占空比实现呼吸灯、电机调速等效果而不需要CPU干预。普通做法是每次要改占空比就进中断写CCR寄存器占空比变化频繁时中断开销很大。用TIM DMA Burst你可以准备一个占空比数组DMA在每次更新事件时自动把下一个值写进CCRCPU完全不参与。这对于需要生成复杂波形如正弦波PWM、SVPWM的场景非常有用。配置要点TIM的DMA请求要选对事件通常是UPDATEDMA方向是内存到外设外设地址是CCR寄存器内存地址递增外设地址不递增。还要注意TIM的DMA Burst长度设置它决定了每次触发搬几个寄存器。如果只改CCR1长度设为1就行如果要同时改CCR1到CCR4长度设为4。有个坑TIM DMA Burst和普通的DMA请求不是一回事。普通DMA请求是外设发一个请求DMA搬一次而Burst是在一个事件里连续搬多个。如果你把Burst长度设成了4但只准备了1个数据DMA会读到数组越界的内容写进寄存器现象就是PWM输出莫名其妙。3.3 AD7606这类高速采集DMA和BUSY信号的配合热词里安富莱ad7606出现了AD7606是8通道16位并行/串行ADC采样率能到200kSPS。用DMA搬运它的数据时核心问题是什么时候启动DMA、什么时候读数据。AD7606的转换由CONVST信号触发转换期间BUSY为高转换完成后BUSY变低此时可以读取数据。如果用DMA搬运通常的做法是用定时器产生CONVST信号同时用这个信号触发DMA读取。但要注意DMA读取必须在BUSY变低之后才能进行否则读到的是无效数据。一种可靠的方案是用BUSY的下降沿触发DMA请求。但BUSY是GPIO不是外设不能直接触发DMA。变通做法是用定时器在CONVST之后延迟一个转换时间再触发DMA这个延迟要略大于AD7606的最大转换时间约4微秒。或者用外部中断在BUSY下降沿启动DMA但中断延迟会引入抖动。对于200kSPS这种速率每个采样点间隔5微秒中断延迟可能就占了一两微秒抖动很明显。所以高速采集场景下用硬件定时器精确控制时序比用中断更可靠。安富莱的例程里通常是用定时器触发CONVST然后用同一个定时器的另一个通道在固定延迟后触发DMA读取这样时序是硬件保证的不受中断影响。4. DMA测速为什么你的测速结果不可信热词里dma测速dma测速工具dma测速失败代码扎堆出现说明很多人在这件事上翻过车。DMA测速看起来简单——记录传输前后的时间戳除以数据量就是速度。但实际做下来结果往往和理论值差很远甚至同一段代码跑两次结果都不一样。4.1 测速的三种方法及其误差来源常见的DMA测速方法有三种方法一用系统滴答定时器SysTick计时。在DMA启动前读SysTick计数传输完成中断里再读一次差值乘以滴答周期就是耗时。问题是SysTick分辨率通常是1毫秒而一次DMA传输可能只有几十微秒用1毫秒的尺子量几十微秒的东西误差极大。方法二用通用定时器计时。配置一个定时器以最高频率计数比如72MHzDMA启动时清零并启动完成时读取计数值。这个方法分辨率高但要注意定时器溢出。如果传输时间超过定时器周期计数会回绕需要处理溢出。方法三用DWT的CYCCNT计数器。Cortex-M3/M4/M7内核有个DWT单元其中的CYCCNT是一个32位的周期计数器每个CPU时钟周期加一。用它测速分辨率就是CPU周期非常精确。但要注意两点一是CYCCNT在调试器连接时可能被复位二是32位计数器在72MHz下约60秒溢出长时间测量要处理回绕。我推荐用DWT方案代码简单且精度足够。初始化就三行使能DWT、使能CYCCNT、清零CYCCNT。测量时读两次CYCCNT差值除以CPU频率就是秒数。4.2 影响测速结果的隐藏因素即使计时方法正确测速结果仍然可能偏离理论值原因通常有这几个总线仲裁开销。如果测速时有其他DMA通道在活动你的传输会被仲裁延迟。所以测速应该在干净的环境下做关掉其他DMA通道。存储器等待周期。如果DMA访问的是外部SRAM或SDRAM等待周期会显著拉低速度。内部SRAM通常零等待但Flash有等待周期。测速时要明确数据源和目的地的存储器类型。Cache的影响针对带Cache的M7等内核。如果DMA访问的内存区域被Cache缓存可能出现数据一致性问题测速结果也会异常。DMA缓冲区通常要配置为Non-Cacheable或使用Cache维护操作。编译优化等级。这个听起来无关但如果你的测速代码里包含了CPU参与的环节比如启动DMA前后的准备和收尾优化等级会影响这部分耗时。测速时最好把CPU参与的部分单独计时只测DMA搬运本身。4.3 一个可复现的测速代码框架下面给一个基于DWT的DMA测速框架以内存到内存传输为例你可以把源和目的换成外设寄存器来测串口或SPI的DMA速度。#include stm32f1xx.h static void DWT_Init(void) { CoreDebug-DEMCR | CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk; DWT-CYCCNT 0; DWT-CTRL | DWT_CTRL_CYCCNTENA_Msk; } static uint32_t DWT_GetCycles(void) { return DWT-CYCCNT; } #define TEST_SIZE 1024 static uint8_t src_buf[TEST_SIZE]; static uint8_t dst_buf[TEST_SIZE]; void DMA_MemToMem_Test(void) { uint32_t start, end, cycles; float us, speed_mbps; DWT_Init(); for (int i 0; i TEST_SIZE; i) { src_buf[i] (uint8_t)i; } DMA1_Channel1-CCR ~DMA_CCR_EN; DMA1_Channel1-CPAR (uint32_t)src_buf; DMA1_Channel1-CMAR (uint32_t)dst_buf; DMA1_Channel1-CNDTR TEST_SIZE; DMA1_Channel1-CCR DMA_CCR_MEM2MEM | DMA_CCR_MINC | DMA_CCR_PINC | DMA_CCR_DIR | DMA_CCR_PL_0; start DWT_GetCycles(); DMA1_Channel1-CCR | DMA_CCR_EN; while (!(DMA1-ISR DMA_ISR_TCIF1)); end DWT_GetCycles(); DMA1-IFCR DMA_IFCR_CTCIF1; cycles end - start; us (float)cycles / (SystemCoreClock / 1000000.0f); speed_mbps (TEST_SIZE * 8.0f) / us; printf(cycles%lu, time%.2f us, speed%.2f Mbps\r\n, cycles, us, speed_mbps); }这段代码测的是纯DMA搬运的周期数不包含CPU准备时间。实测在STM32F10372MHz上1024字节内存到内存传输大约需要几千个周期换算下来速度在几十MB/s量级。注意内存到内存模式在F1上只有DMA1支持且通道1是唯一支持M2M的通道。如果你要测串口DMA的实际吞吐把源换成USART-DR触发源改成串口的RX请求然后在对端以固定波特率连续发送数据测接收完指定字节数的时间。这时候算出来的速度应该接近波特率除以10每字节10位起始8数据停止如果差很多说明中间有丢包或停顿。5. 那些让DMA莫名其妙不工作的细节前面讲的都是相对正常的问题这一节专门收罗那些看起来毫无道理、但确实会发生的DMA故障。这些坑我基本都踩过写出来帮你省时间。5.1 传输完成标志没清导致中断反复进DMA的中断标志清除有个容易搞错的地方不同系列、不同通道的标志清除方式不一样。STM32F1的DMA1和DMA2各有自己的IFCR寄存器清除时要写对应的位。F4的DMA用LIFCR和HIFCR两个寄存器分别清低端和高端Stream的标志。H7又不一样。如果你清错了寄存器或清错了位标志一直置位中断就会反复进。现象是程序卡在中断里出不来或者主循环完全跑不动。排查方法很简单在中断里读一下ISR寄存器看看是哪个标志置位然后对照手册确认清除位是否正确。还有一个细节有些标志是读清除的有些是写清除的。DMA的传输完成标志通常是写1清除但如果你在中断里先读了ISR再写IFCR顺序不对可能清不掉。标准做法是直接写IFCR对应的位不要先读。5.2 数据宽度不匹配导致的数据错位DMA的数据宽度有三个可配项外设数据宽度、内存数据宽度、以及传输时的对齐方式。如果外设是8位的比如USART-DR内存缓冲区你定义成了uint16_t数组DMA配置里内存宽度选了16位那DMA会按16位搬运每次从串口读两个字节拼成一个16位值写进内存。结果就是数据全乱了。正确的做法是外设和内存的数据宽度要匹配实际的数据类型。串口是8位内存就用uint8_t数组宽度都选8位。ADC是12位但ADC-DR寄存器是16位对齐的所以外设宽度选16位内存也用uint16_t。SPI如果配置成8位模式两边都选8位配置成16位模式两边都选16位。有个例外是当你确实需要做数据宽度转换时比如把8位的串口数据打包成16位存储。这时候外设宽度8位、内存宽度16位DMA会自动做拼接。但要注意字节序问题小端模式下先收到的字节在低地址拼出来的16位值是高字节在后。5.3 DMA和Cache的一致性M7用户必看如果你用的是STM32H7、F7这类带D-Cache的芯片DMA和Cache的一致性问题一定会遇到。现象是DMA明明把数据写进了内存但CPU读出来还是旧值或者CPU写了新数据到缓冲区DMA发出去的还是旧数据。原因是DMA直接访问物理内存不经过Cache。而CPU访问内存时如果该地址被Cache缓存了读的是Cache里的副本写也只写Cache。两边看到的内存内容不一致。解决办法有三种把DMA缓冲区配置为Non-Cacheable。通过MPU内存保护单元把这块区域设为非缓存CPU和DMA都直接访问物理内存自然一致。这是最简单可靠的方案代价是CPU访问这块内存会慢一些。使用Cache维护操作。在DMA读取之前对缓冲区做Clean操作把Cache里的新数据写回内存在DMA写入之后对缓冲区做Invalidate操作丢弃Cache里的旧数据强制从内存重新读。这个方案性能好但容易出错Clean和Invalidate的时机和范围必须精确。使用带Cache一致性的DMA。部分高端芯片的DMA控制器支持硬件一致性但STM32系列基本没有所以主要靠前两种。我的建议是对DMA缓冲区一律用MPU配成Non-Cacheable省心。虽然损失一点CPU访问性能但避免了大量隐蔽的调试时间。如果缓冲区很大且CPU访问频繁再考虑用Cache维护操作精细控制。5.4 中断优先级配置不当引发的连锁反应DMA中断的优先级配置有个常见误区DMA传输完成中断的优先级如果低于其他中断可能被长时间阻塞导致DMA无法及时重启。在Circular模式下这会导致数据覆盖在Normal模式下会导致传输停顿。更隐蔽的问题是中断嵌套。如果DMA中断优先级较高它可能打断其他中断的处理。如果其他中断里正好在操作DMA相关的数据结构就会出现竞态。比如主循环在准备下一批DMA数据DMA完成中断来了中断里修改了缓冲区指针主循环继续用旧指针操作数据就乱了。解决办法是DMA中断里只做最少的操作置标志、切换缓冲区复杂处理放到主循环。如果必须在中断里操作共享数据用临界区保护或者原子操作。STM32的NVIC优先级分组也要注意确保DMA中断的抢占优先级和子优先级的组合符合预期。6. 从能跑到跑得好DMA使用的几条经验法则聊了这么多具体问题最后收拢一下给几条我在实际项目中总结出来的DMA使用原则。这些不是手册上的规定而是踩坑之后形成的习惯。第一条能用DMA的地方优先用但不要为了用而用。DMA适合数据搬运量大、CPU参与无意义的场景比如串口收发、ADC采集、SPI通信。但如果只是偶尔搬几个字节用DMA的配置开销和中断开销可能比CPU直接搬还大。判断标准很简单如果搬运操作在总运行时间里占比很低就别上DMA。第二条缓冲区大小要留余量但不要太大。DMA缓冲区太小会导致频繁中断太大则浪费内存且增加延迟。串口接收缓冲区一般取最大帧长的2到4倍ADC采集缓冲区取一次处理所需点数的整数倍。Circular模式下缓冲区大小最好是2的幂方便用位运算做索引回绕。第三条中断里只做标记不做处理。这条前面提过但值得再强调。DMA中断触发频率可能很高中断里每多一条指令在高频场景下都是负担。把数据处理放到主循环中断里只更新一个状态变量或切换缓冲区指针。第四条测速要在真实负载下做。空载测出来的DMA速度没有参考价值因为实际系统中总线上还有其他主设备在活动。测速时要把所有相关的DMA通道都开起来模拟真实工况这样得到的数据才能用来做容量规划。第五条文档和注释要写清楚通道映射和触发源。DMA配置代码如果只写寄存器操作过两个月你自己都看不懂。在代码里注释清楚这个通道对应USART1_RX触发源是RXNECircular模式缓冲区大小256后面维护的人会感谢你。DMA这个主题往深了挖还有很多内容比如多缓冲模式、FIFO阈值配置、双AHB主接口的负载均衡等这些在高端系列上才会用到。对于大多数项目来说把上面这些基础场景吃透已经能解决九成以上的问题。真正拉开差距的往往不是谁背的寄存器多而是谁在出问题的时候能快速定位到是配置错了还是时序不对还是总线抢不过。这个判断力只能靠一个个坑喂出来。

嵌入式DMA实战：串口、SPI、定时器触发与测速避坑指南

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