从 DREQ 到中断：RP2040 DMA 的 “快递系统” 全解析

DMA

内核的本职是 “运算、处理任务”，如果让它手动搬数据（比如从传感器读数据存到内存），会浪费算力（搬数据时没法干别的）；而 DMA 是 “专职搬运工具”，能高效完成批量传输，让内核可以去处理其他任务，甚至进入低功耗休眠，既提升效率又节省电量。

DMA 直接存储器存取控制器与总线结构有单独的读和写主连接，并可以代替处理器执行批量数据传输。这使得处理器可以自由地处理其他任务，或进入低功耗睡眠状态。

DMA 单独读写最多可以操控 32 位数据，具有 12 个独立的通道，每个通道都监督一系列总线传输。

DMA 通常用于以下三种情况的数据传输：

• ​内存到外设：​当需要更多数据时，外设向 DMA 发出信号。DMA 从 RAM 或 flash 中的数组中读取数据，并写入外围设备的数据 FIFO；

• ​外设到内存：​当一个外围设备在接收到外部的传感器/通信接口的数据时，它就会向 DMA 发出信号。DMA 从外围设备的数据 FIFO 中读取这些数据，并将其写入 RAM 中的一个数组；

• ​内存到内存：​DMA 在 RAM 中的两个缓冲区之间传输数据。
  
  图 2.17 RP2040 DMA 控制器架构框图
  架构图是 DMA 的 “内部工作流程”，每个模块的作用如下：

• ​AHB-lite Read/Write Master 总线：​是 DMA 连接到系统总线（AHB-lite）的 “接口：

  • Read Master：负责从系统（内存 / 外设）读数据；
  • Write Master：负责向系统（内存 / 外设）写数据。

• ​Read/Write Address FIFO：​FIFO 是 “先进先出的缓冲区”，这里存的是要读取 / 写入的地址（比如从内存的 0x20000000 开始传输，地址会存在这里）。它可以地址请求，避免地址生成和数据传输 “节奏不匹配” 导致卡顿。

• ​Transfer Data FIFO：​它存的是正在传输的数据，同样是缓冲作用，让 “地址请求” 和 “数据搬运” 的节奏对齐，保证传输流畅。

• ​Address Generator：​DMA 的 “地址自动计算器”：比如要从内存的 0x20000000 开始，连续传 100 个字节，它会自动生成 0x20000000、0x20000001… 这些连续地址，不用内核手动算地址。

• ​Control/Status Registers：​是 DMA 的控制中心 + 状态显示器：

  • 控制：软件通过这里配置 DMA（比如传输方向是 “外设 → 内存” 还是 “内存 → 外设”、数据大小是 8/16/32 位、要传多少数据）；
  • 状态：软件可以在这里查看传输进度（比如传了多少、有没有传完、有没有出错）。

• ​AHB-lite Slave Interface：​是 “内核配置 DMA 的入口”：内核通过这个接口，向 Control/Status Registers 写入配置参数，告诉 DMA“要搬什么数据、怎么搬”。

接下来，我们以 “外设 → 内存” 传输（比如传感器数据存到内存）为例：

1. 内核通过​AHB-lite Slave Interface​，给 Control/Status Registers 写配置（比如源地址是传感器的 FIFO 地址、目标地址是内存数组地址、传输长度是 100 字节）；
2. Address Generator 自动生成要读取的外设地址、要写入的内存地址，分别存到 Read Address FIFO、Write Address FIFO；
3. AHB-lite Read Master 从外设读数据，放到 Transfer Data FIFO 缓冲；
4. AHB-lite Write Master 从 Transfer Data FIFO 取数据，写到内存的目标地址；

整个过程中，内核不用参与，完全由 DMA 自动完成。

DMA的每个通道都有对应状态寄存器，软件可以通过它来编程和监控该通道数据读写的进度。 我们把每个 DMA 通道想象成一个独立的快递小哥，而状态寄存器就是这个小哥的 “任务清单 + 工作日志本”：

• ​ 编程（写寄存器） ​：你（软件）在小哥出发前，把任务写在日志本上 —— 比如 “从内存的 A 位置搬 100 个数据到 UART 外设”“搬数据时要听 UART 的 DREQ 信号指挥”，这就是给 DMA 通道配置任务；
• ​监控进度（读寄存器）：小哥干活时，会实时在日志本上记录进度 ——“已搬了 50 个数据”“任务完成”“搬数据时出错了”，你（软件）随时看日志本，就能知道这个 DMA 通道的工作状态，不用一直盯着它干活。

DMA 传输数据的大小可以是 32、16 或 8 位。每个通道配置一次：源传输大小和目标传输大小相同：

• 这是规定了 DMA “搬数据的打包方式”——DMA 每次搬数据时，可选择搬​1 个字节（8 位）、2 个字节（16 位）或 4 个字节（32 位）（相当于快递小哥一次搬 1 个包裹、2 个包裹或 4 个包裹）；
• ​源和目标大小必须相同​：意思是 “从哪里搬” 和 “搬到哪里去” 的打包方式要一致 —— 不能从内存里一次搬 4 个字节（32 位），却往外设里一次只写 1 个字节（8 位），否则会出现数据错乱（就像小哥一次抱 4 个包裹，却只能往快递柜里塞 1 个，剩下的会掉地上）；
• ​每个通道配置一次​：一个 DMA 通道一旦定了用 32 位传输，那这次任务全程都用 32 位，不用中途改；要换方式的话，得重新配置这个通道。

DMA 不同通道之间可以相互组合，例如一个通道可以配置另一个通道，从内存中的一系列控制块加载配置数据，然后当需要重新配置时，第二个通道可以通过 CHAIN_TO 选项调用到第一通道：

• 这是 DMA 通道的 “接力干活” 或 “互相配合” 功能，让多个 DMA 通道能协同完成复杂任务，不用软件（内核）中途插手；
• 假设你有两个 DMA 通道，通道 1 是 “配置员”，通道 2 是 “搬运工”：
  • 你先在内存里存好​多套搬运任务的配置​（比如 “任务 1：搬 100 个 32 位数据到 UART0”“任务 2：搬 200 个 8 位数据到 SPI0”“任务 3：把内存 A 的数据复制到内存 B”），这些配置叫 “控制块”。
  • 你给通道 2 配置初始任务：“先找通道 1，让它从内存里读第一套控制块（任务 1），然后按这个控制块干活”。
  • 当通道 2 完成任务 1 后，不需要软件（内核）来重新配置，它可以通过​CHAIN_TO 选项​（相当于 “呼叫接力”），让通道 1 再从内存里读第二套控制块（任务 2），然后通道 2 继续干任务 2；以此类推，直到所有控制块的任务都完成。

同时 DMA 也可以和其他外设配合使用，外设和 DMA 直接通过 DREQs 通道传输，所谓 DREQ，就是外设给 DMA 发的“暗号”，告诉 DMA“我准备好收 / 发数据了，你可以开始传了”：

• 比如 UART 要发数据时：当 UART 的发送 FIFO 空了，它会发 DREQ 信号给 DMA，DMA 收到后就把内存里的数据传到 UART 的 FIFO；
• 比如 UART 要收数据时：当 UART 的接收 FIFO 满了，它发 DREQ 给 DMA，DMA 就把 FIFO 里的数据取到内存。

不同外设和 DREQ 通道对应关系可以查看 DREQ 表，它是“外设功能 →DREQ 通道” 的对应清单，每个 DREQ 编号对应一个外设的收 / 发功能：

图 2.18 RP2040 外设 DREQ 通道与 DMA 映射表
以上表为例，我们可以看到：

• DREQ20 对应 “UART0_TX”（UART0 的发送请求）；
• DREQ17 对应 “SPI0_RX”（SPI0 的接收请求）。

DMA 也可以和中断配合使用，当 DMA 中某个通道数据读写完成后可以触发中断，使得程序进行对应操作（比如数据传完了，内核去分析这些数据）：

• 咱们把 DMA 通道比作​负责不同搬运任务的快递小哥​，内核就是公司里的 “老板”；
  • 之前说过，小哥干活的时候，老板可以摸鱼（处理其他任务）或者睡觉（低功耗休眠），不用盯着小哥；
  • 当小哥把一批数据搬完了（比如把传感器的 100 个数据全存到内存里了），他不能直接跑去找老板 —— 而是会按一个 “紧急呼叫铃”，这个​呼叫铃就是中断​；
  • 老板听到铃响，就知道 “某个小哥的活干完了”，然后放下手里的事，去做后续工作（比如分析刚搬来的传感器数据、把数据再传给 U 盘、清空内存准备下一次搬运）。
• 简单说，​DMA 完成任务后触发中断，是给内核发 “完工通知”，让内核能及时处理后续任务，不用一直轮询 “DMA 干完没？干完没？”，既省了内核的精力，又保证了任务的及时性。

RP2040 DMA 提供了两个系统 IRQs，具有独立的掩蔽和状态寄存器（例如，INTE0、INTE1）。任何通道中断请求的组合都可以被路由到任何一个系统 IRQ：

• 先解释这段话里的关键名词，再用例子串起来：
  • ​系统 IRQs​：可以理解成公司里的​两个 “总客服热线”（IRQ0 和 IRQ1，对应 INTE0、INTE1），所有 DMA 小哥的 “完工通知”（中断请求），都要通过这两个热线打给老板（内核）。
  • ​掩蔽寄存器​：“掩蔽” 就是 “屏蔽、静音” 的意思，这个寄存器相当于热线的 “静音开关”—— 比如你可以设置 “让小哥 1 的通知打不进热线 0”，或者 “让热线 1 暂时静音，所有通知都走热线 0”，避免不重要的通知打扰老板。
  • ​状态寄存器​：相当于热线的 “来电记录本”，里面会记着 “是小哥 3 的通知打进来了”“小哥 7 的任务完工了”，老板看到记录本，就知道该处理哪个小哥的后续任务。
  • ​路由​：就是 “分配、定向” 的意思 —— 你可以随便安排哪个小哥的通知走哪个热线。
• RP2040 的 DMA 有 12 个通道（12 个小哥），但只留了 2 个客服热线（两个系统 IRQs）。你可以这样配置：
  • 把​小哥 1（传感器数据搬运）、小哥 2（UART 数据传输）的通知，都路由到热线 0（INTE0）​；
  • 把​小哥 3（内存复制）、小哥 4（SPI 数据传输）的通知，都路由到热线 1（INTE1）​；
  • 甚至可以把所有小哥的通知都路由到同一个热线，或者让某几个小哥的通知同时走两个热线；
  • 如果你觉得小哥 3 的任务不重要，还能通过掩蔽寄存器，把小哥 3 的通知屏蔽掉，他就算完工了，也打不进热线，老板不会收到他的通知。
• 这种设计的好处是：​灵活管理多个 DMA 通道的中断，避免中断信号混乱，同时让内核可以按热线的优先级处理不同类型的 DMA 任务​（比如把紧急的任务路由到优先级高的热线）。