一文读懂 DMA：工作流程、传输模式与典型应用场景汇总

1.DMA 直接内存访问简介

在传统的数据传输方式中，单片机的 CPU 负责从一个外设（如 I2C、串口、ADC 等）读取数据并将其存储到内存中，或者从内存中读取数据并写入到外设中。这种方法需要 CPU 不断地处理读写操作，容易造成 CPU 负载过高，影响系统的整体性能。

DMA 的引入改变了这一点，DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）是一种允许硬件子系统在不经过 CPU（中央处理单元）干预的情况下直接与内存交换数据的技术。DMA 大大提高了系统性能，特别是在需要大量数据传输的应用中，如音频/视频处理、网络通信和数据采集。

使用 DMA 直接内存读取，可以在不需要 CPU 参与的情况下，实现外设和内存直接的数据传输

使用 DMA 进行数据传输，可以在后台自动完成数据传输，CPU 无需参与具体的数据搬运工作，这样可以腾出更多的 CPU 资源用于执行其他任务；同时由于 DMA 控制器直接与内存和设备进行数据交换，可以以比 CPU 控制更快的速度传输数据。

DMA 传输相比于外设中断后 CPU 在中断回调函数中读取数据的方法而言，可以显著减少 CPU 处理数据传输相关中断的次数，从而降低系统的中断开销。

2.DMA 的工作原理

DMA 控制器它可以直接与系统总线进行通信，并负责管理设备和内存之间的数据传输。DMA 控制器可以通过以下几个步骤工作：

DMA 数据传输流程简易示意图

1. ​DMA 传输请求​：在使用 DMA 之前，我们需要首先配置 DMA 数据传输的源地址、目的地址和传输数据大小等信息，当一个外设（如串口或 ADC）需要进行数据传输时，它向 DMA 控制器发送一个传输请求，此时，CPU 可以配置并启动 DMA 传输，但传输的实际数据操作由 DMA 控制器接管，DMA 控制器暂时接管系统总线的控制权;
2. ​DMA 传输​：DMA 控制器通过系统总线直接访问内存，将数据从源地址（如设备）移动到目标地址（如内存），或从内存移动到设备。这一过程不需要 CPU 的干预，DMA 控制器可以在后台完成传输操作，数据传输通过 DMA 通道进行；需要注意的是，负责数据传输的 DMA 通道是依赖于系统总线的；
3. ​中断通知​：当 DMA 传输完成后，DMA 控制器会向 CPU 发送一个中断信号，通知传输已结束，同时将系统总线控制器交给 CPU 此时，CPU 可以继续处理与数据相关的任务，而不必花费时间和资源在传输数据上。

可以看到，通过 DMA 控制器和 DMA 通道能够使设备能够传输数据，而不会导致 CPU 工作过载；如果没有 DMA 通道，CPU 将使用系统总线将指令和数据发送到外设总线，然后通过外设总线到达目标外设设备，然后在此目标设备中用于存储数据的数组中复制每条数据，使用外设总线在读/写过程中会占用 CPU，并且在操作完成之前不允许执行其他工作。

这里，CPU、DMA 和其他外设都共享同一条系统总线。如果 CPU 正在使用总线执行内存访问操作，而此时 DMA 也需要通过总线将数据传输到内存或从内存读取数据，二者就会出现争抢现象：此时，系统中会有一个仲裁机制来决定总线的使用权，由谁来控制总线；仲裁器会根据任务的优先级、紧急性和系统状态等因素来决定是 CPU 还是 DMA 优先使用总线。

然而，使用 DMA 进行数据传输也会遇到一些问题，例如​缓存一致性问题​：在 MCU 具有缓存机制（如 STM32 单片机的 F7 系列、U5 系列和 H7 系列等）的情况下，CPU 在读取或写入数据时，为了提高数据访问的速度通常会先访问缓存 cache，而不是直接访问 RAM 存储器；然而，DMA 控制器是直接与 RAM 通信的，它绕过了 CPU 缓存。

DMA 缓存一致性问题示意图

这会导致以下问题：

• ​数据过时​：如果 CPU 从缓存中读取了某一段数据，并且在缓存中进行了修改，但未及时将这些修改同步回 RAM 中，那么 DMA 控制器读取的 RAM 数据将是过时的：例如当 CPU 访问内存中的位置 X 时，当前值将被存储在高速缓存中，X 上的后续操作将更新 X 的缓存副本，但不会更新 X 的内存 RAM 版本；如果在设备下次尝试访问 X 之前缓存未刷新到内存，则设备将收到陈旧的 X 值；
• ​数据不一致​：反过来，如果 DMA 控制器向 RAM 写入数据，而 CPU 缓存未及时无效化或更新，则 CPU 从缓存中读取的数据可能是不正确的，导致数据不一致性。

为了避免或解决 MCU 中的缓存一致性问题，可以使用以下方法：

• ​禁用缓存​：在一些情况下，可以选择在使用 DMA 之前禁用缓存，以确保 DMA 操作不会受到缓存不一致的影响。然而，这可能会导致性能下降，因为禁用缓存后，所有的内存访问都需要直接访问 RAM；
• ​缓存清除（Cache Clean）和无效化（Invalidate）操作​：
  • ​清除缓存（Cache Clean）​：在 DMA 操作之前，可以强制 CPU 将缓存中的数据写回 RAM 中，确保 RAM 中的数据与缓存一致；
  • ​无效化缓存（Cache Invalidate）​：在 DMA 操作之后，可以强制 CPU 无效化缓存，使其在下一次访问时重新从 RAM 中获取数据。
• ​使用不缓存的内存区域​：一些 MCU 支持标记某些内存区域为“不可缓存”（Non-Cacheable）。可以将 DMA 使用的内存区域标记为不可缓存，以避免缓存一致性问题；
• ​使用专用 DMA 区域​：有些 MCU 可能会有专门用于 DMA 操作的内存区域，避免了与 CPU 缓存的冲突，在进行 DMA 操作时，只在这些专用区域进行数据传输。

3.DMA 的类型

根据数据传输的方向和方式，DMA 可以分为以下几种类型：

• ​内存到内存（Memory-to-Memory）传输​：这种传输模式下，DMA 控制器将数据从一个内存区域复制到另一个内存区域，常用于快速复制大块内存数据，例如图像/视频帧缓存的快速交换或网络数据包在内存间的快速转发。
• ​外设到内存（Peripheral-to-Memory）传输​：DMA 控制器将外设的数据直接写入内存，而无需 CPU 介入，例如从存储设备（SD 卡、NAND Flash 等）读取数据到内存、从 ADC 外设直接采集传感器数据到内存或从存储设备（SD 卡、NAND Flash 等）读取数据到内存。
• ​内存到外设（Memory-to-Peripheral）传输​：DMA 控制器将内存中的数据（如一段音频数据）直接传输到外设（如音频输出设备），例如从内存输出音频/视频数据到 DAC、显示屏等外设或将处理好的数据从内存输出到通信接口（UART、SPI 等）进行发送。
• ​外设到外设（Peripheral-to-Peripheral）传输​：常用于存储设备间的数据拷贝、外设之间的数据转换与同步或加速加密/解密处理，例如从 SD 卡向 NAND Flash 拷贝数据、从 ADC 采集数据后通过 DMA 传输到 DAC 进行模拟量输出、两个外设输出双通道音频数据等。

4.DMA 的传输模式

DMA 控制器通常支持多种传输模式，以下是常见的几种：

• ​单次传输模式（Single Transfer Mode）​：每次传输一个数据单位（如一个字节或一个字），这种模式下，DMA 控制器在每个数据传输之后释放总线控制权，使得 CPU 或其他设备可以访问总线；适用于对总线有严格共享需求的场合（比如同时有 CPU 处理任务和外设传输小批量数据）；
• ​突发传输模式（Burst Transfer Mode）​：DMA 控制器在获得总线控制权后，连续传输一批数据（如一块内存数据），在此期间，DMA 控制器独占总线，不释放控制权，直到传输完成；适用于需要高速数据传输的场合（比如从硬盘拷贝大文件或是摄像头高速采集图像，追求最快传输速度，暂时占用总线不影响核心任务）；
• ​循环缓冲传输模式（Circular Buffer Mode）​：DMA 控制器在一个预定的缓冲区内循环传输数据，适用于连续数据流的应用，比如数据采集，持续把传感器数据存进缓冲区；
• ​自动请求模式（Auto-Request Mode）​：当需要重复进行同样的数据传输时（比如每隔一段时间就把传感器数据传到内存），DMA 控制器会自动发送请求并执行传输，适用于周期性数据传输（比如每隔 100ms 采集一次温度数据、每隔 50ms 发送一次串口数据）。

5.DMA 的结构

对于 MCU 的 DMA 单元来说，往往可以分成以下几个部分：

MCU 中 DMA 单元基本结构

• ​DMA 通道（DMA Channels）：​MCU 中的 DMA 控制器通常支持多个 DMA 通道，每个通道可以独立配置，用于不同的外设或内存之间的数据传输，同时每个通道都可以同时处理不同的数据流，并且可以设置不同的优先级；当多个通道同时请求总线访问时，优先级较高的通道会先获得访问权；
• 地址寄存器（Address Registers）
  • ​源地址寄存器（Source Address Register, SAR）​：保存要读取数据的源地址，这个地址可以是外设的寄存器地址，也可以是内存地址；
  • ​目标地址寄存器（Destination Address Register, DAR）​：保存数据要写入的目标地址，目标地址同样可以是外设寄存器地址或内存地址；
  • ​地址自增/自减功能​：在大多数 MCU 中，DMA 控制器可以配置为在每次传输后自动增加或减少地址指针，便于处理连续的数据块：
    • 比如从内存地址 100 搬完，自动跳到 101，依次往后；或从地址 200 往前跳到 199；
    • 便于处理连续的数据块（比如搬运一整段文件、一帧图像），不用反复配置地址，提升传输效率。
• 数据寄存器（Data Registers）
  • ​FIFO 缓存​：用于在 DMA 传输中临时存储数据，确保数据能够连续传输，同时可以减少数据请求与实际传输之间的延迟；
  • ​数据计数寄存器（Data Counter, DCR）​：这个寄存器保存当前通道传输的数据量（通常以字节或字为单位），当数据计数减到 0 时，就意味着本次传输完成，DMA 会停止该任务或触发后续通知；
  • ​传输尺寸控制（Transfer Size Control）​：可以配置传输的数据宽度，如 8 位、16 位或 32 位，用于适配不同外设和内存的数据格式，确保传输的数据“规格匹配”，避免出现数据错位或错误（比如外设只能接收 8 位数据，就不能按 16 位传输）。
• 控制寄存器（Control Registers）
  • ​通道控制寄存器（Channel Control Register, CCR）​：用于配置每个 DMA 通道的工作模式，包括启动或停止 DMA 传输、设置优先级、选择触发事件等；
  • ​中断控制（Interrupt Control）​：DMA 控制器可以配置在传输完成、传输错误或特定的传输进度时生成中断，CPU 收到中断信号后，会执行对应的中断处理程序（比如传输完成后，通知软件读取数据；传输错误后，触发重试或报警逻辑）。
• 触发器（Triggers）
  • ​硬件触发​：由外设的特定事件自动触发。比如 ADC（模数转换器）完成一次电压采集、UART（串口）接收完一个数据、摄像头采集完一帧图像等，这些外设会主动向 DMA 发送“触发信号”，DMA 收到后就自动启动传输；
  • ​软件触发​：通过写入控制寄存器，软件也可以手动触发 DMA 传输。
• DMA 仲裁器（Arbiter）
  • ​总线仲裁​：DMA 控制器需要与 CPU 和其他主设备（如另一个 DMA 控制器或总线接口）共享 MCU 的系统总线，仲裁器负责管理 DMA 通道之间的总线访问权，确保系统的稳定和高效运行；
  • ​循环和固定优先级​：仲裁器可以基于通道的优先级来决定总线访问顺序，常见的仲裁策略包括固定优先级和循环优先级（即轮询）。