引言

考慮到DMA是一個AHB Master設(shè)備，可以同處理器內(nèi)核一樣，主動向總線發(fā)起傳輸請求，將“小臟手”伸向各總線上掛載的各外設(shè)模塊，因此，我更愿意把DMA看做是處理器核心服務(wù)的一部分，甚至把它當成一個小核或者協(xié)處理器都不為過。

DMA可以在CPU之外，捕獲到觸發(fā)信號后，自行搬運數(shù)據(jù)從指定地址到另一個指定地址，并且還可以根據(jù)預先的配置自動計算下一次搬運的地址。使用DMA可以有效地節(jié)約CPU處理海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢撦d。可以想見，如果使用中斷方式處理通過外設(shè)發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，CPU將會在頻繁切換中斷服務(wù)之間花費大量的時間。

另外，DMA從DMAMUX獲取的觸發(fā)源，能夠?qū)崿F(xiàn)的自動讀寫的操作，若是某些讀操作或者寫操作能夠產(chǎn)生額外的觸發(fā)事件，還可以傳遞觸發(fā)，形成觸發(fā)鏈，最終可實現(xiàn)一些完全不需要硬件干預的自動化任務(wù)。總之，DMA真心是一個功能豐富的模塊。

本文將介紹YTM32平臺上DMA的工作機制，對關(guān)鍵概念展開講解。

簡介

YTM32（以YTM32B1ME05為例）微控制器上集成的DMA控制器可以支持16個通道，并且搭配了一個多達128個選項的DMA MUX模塊，可以對接任何一個通道。其中多個通道是復用同一個DMA控制器的，并且共用同一個數(shù)據(jù)搬運引擎。DMA MUX管理了可以觸發(fā)DMA通道的硬件事件，每款芯片可能都不一樣（YTM32B1MD14中的DMAMUX只有64個選項），在具體使用時，需要從具體的芯片手冊中查表。

還需要特別注意的是，目前YTM32平臺上的DMA尚未支持異步時鐘模式，它使用core clock驅(qū)動，僅能在普通模式下工作，在休眠模式、深度休眠以及更低功耗的休眠模式下，均停止工作。

本DMA控制器通過多個通道的傳輸任務(wù)描述符（CTS）管理搬運數(shù)據(jù)的過程，并且還支持鏈接模式，即將多個傳輸任務(wù)描述符連鏈接在一起，形成傳輸任務(wù)鏈。

原理與機制

DMA控制器是一個AHB總線主機，但仍同普通的外設(shè)一樣，作為一個APB總線從機，被配置成合適的工作模式。DMA控制器通過DMAMUX，可以直接收集來自片上其他外設(shè)模塊發(fā)出的觸發(fā)信號，進而觸發(fā)DMA在地址空間搬運數(shù)據(jù)的過程。如圖x所示。

圖x DMA控制器的系統(tǒng)框圖

需要注意的是，DMA的搬運過程是在地址空間內(nèi)操作的，可以是從內(nèi)存到內(nèi)存，從外設(shè)到外設(shè)，在內(nèi)存與外設(shè)之間等，對于DMA而言，只是搬數(shù)，至于數(shù)據(jù)映射到物理設(shè)備是外設(shè)還是內(nèi)存，均由總線負責落實。

相對于有的DMA控制器將觸發(fā)信號和搬運數(shù)據(jù)源頭地址或目標地址綁定的設(shè)計，YTM32的DMA控制器將觸發(fā)信號和搬運任務(wù)所使用的地址相互獨立，例如，當某個定時器模塊產(chǎn)生的觸發(fā)信號觸發(fā)了DMA的一個搬運數(shù)據(jù)的任務(wù)（通道），這個任務(wù)可以將ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)搬運到內(nèi)存中。這其中，定時器和ADC是沒有直接關(guān)聯(lián)的。

DMA通道的傳輸任務(wù)描述符

YTM32的DMA的各個通道，可以看做是各自獨立的傳輸任務(wù)，每個任務(wù)都有自己的觸發(fā)條件、對觸發(fā)條件的響應方式、搬運數(shù)據(jù)的源地址和目的地址、搬運數(shù)據(jù)的帶寬、搬運數(shù)據(jù)的數(shù)量、每次搬運完成后對搬運過程進行調(diào)整的策略等，如此看來，DMA控制器就是這些獨立任務(wù)的調(diào)度器，當多個任務(wù)被同時觸發(fā)時，以一定的調(diào)度策略安排他們依次運行。

DMA通道對應的這些獨立的搬運任務(wù)，在DMA引擎的建模中，被稱為CTS（DMA Channel Transfer Structure），其結(jié)構(gòu)如圖x所示。

圖x DMA通道的傳輸任務(wù)描述符

這個結(jié)構(gòu)的內(nèi)容并不是以指針的方式存放在SRAM中，而是直接做在寄存器結(jié)構(gòu)里，可以在DMA的寄存器清單中找到與之一一對映的寄存器。如圖x所示。

圖x CTS對應的每個通道各自下轄的一組寄存器

但CTS也可以存放在RAM中，若配置了DMA_CTS_CSR[RLDEN]=1，則在大循環(huán)完成后，直接從寄存器DMA_CTS_DTO（原來存放的是地址偏移量）存放的指針進行索引，搬運整個CTS結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存覆寫到CTS對應的寄存器中。

除此之外，只是借鑒CTS結(jié)構(gòu)中相關(guān)的寄存器，去配置DMA傳輸任務(wù)的參數(shù)即可，不必受限于CTS的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

DMA的觸發(fā)信號

YTM32的DMA控制器為每個DMA搬運任務(wù)設(shè)計了兩種觸發(fā)方式：軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)。其中，軟件觸發(fā)可由CPU直接向DMA控制器的寄存器寫數(shù)（DMA_CTSn_CSR[START]），主動啟動傳輸過程；硬件觸發(fā)使用預設(shè)的硬件觸發(fā)信號，當來自外設(shè)的硬件觸發(fā)信號通過DMAMUX到來之時，自動啟動DMA搬運任務(wù)開始搬數(shù)。DMA的每次觸發(fā)，執(zhí)行一次小循環(huán)的搬運過程，一個大循環(huán)可以包含多個小循環(huán)的，因此一個大循環(huán)的搬運任務(wù)可能會需要多次觸發(fā)才能完成。（關(guān)于大小循環(huán)的概念，可見樓下）

1. 軟件觸發(fā)

DMA的軟件觸發(fā)是通過軟件寫各通道的寄存器位DMA_CTSn_CSR[START]，或者寄存器DMA_START中對應通道的控制位實現(xiàn)的，每寫1次就發(fā)出一個觸發(fā)信號。每次觸發(fā)，執(zhí)行一次小循環(huán)（one trigger loop）的搬運過程，TCNT寄存器中的計數(shù)器減1。

特別注意，軟件觸發(fā)是直接作用于DMA控制器的，不必配置DMAMUX的那個always_on的選項。但由此也可知，哪怕有可用的硬件觸發(fā)通過DMAMUX輸入到DMA控制器，軟件觸發(fā)也可以生效。相當于是，軟件觸發(fā)和DMAMUX導入的硬件觸發(fā)信號相或，然后統(tǒng)一輸入到DMA控制器。

2. 硬件觸發(fā)

DMA的硬件觸發(fā)信號來自于DMAMUX，而DMAMUX則可以從眾多觸發(fā)信號的源中選擇其中一個適用于某個指定的通道（寄存器DMA_CHMUXn）。具體選項可在芯片手冊中查閱，如圖x所示。

圖x 從手冊中查閱DMAMUX選項

DMAMUX選中的觸發(fā)信號，還需要經(jīng)過一個REQEN的門控開關(guān)（寄存器DMA_REQEN中對應通道的控制位），才能順利進入DMA引擎。因此，每次使用DMA開始傳輸之前，如果要使用外部的硬件觸發(fā)源，必須確保打開這個門控開關(guān)。另外，每個DMA通道的傳輸描述符中的寄存器位DMA_CTS_CSR[DREQ]=1還可以控制在每個大循環(huán)傳輸完成之后，自動關(guān)閉這個門控開關(guān)。如果DMA_CTS_CSR[DREQ]=0，則這個門控開關(guān)在大循環(huán)傳輸完畢后仍會保持打開。

這里提到的硬件觸發(fā)信號，是直接來自于外設(shè)的DMA觸發(fā)信號，通常會伴隨著這些外設(shè)的某些事件的發(fā)生，大多同時也可以觸發(fā)中斷。以LINFlexD為例，有對應的DMA觸發(fā)信號的開關(guān)，如圖x所示。

圖x SPI外設(shè)模塊的使能DMA請求控制位

DMA的大循環(huán)和小循環(huán)

一個最完整的DMA傳輸，可以包含多次觸發(fā)，而每次觸發(fā)，會引起連續(xù)地搬運一塊數(shù)據(jù)（可以是連續(xù)的多個字節(jié)）。以此，完整的DMA搬運有大循環(huán)(Major Loop)和小循環(huán)(Minor Loop)的概念，大循環(huán)包含小循環(huán)。

YTM32的手冊中使用了Transfer Loop和Trigger Loop的名字：

• Transfer loop means data transferred after one DMA channel trigger.
• Trigger loop means DMA channel could accept how many DMA channel triggers(include software and hardware trigger).

從手冊的描述中可以獲知，Transfer Loop描述的是一次觸發(fā)（one trigger）執(zhí)行的包含若干個transfer的搬運過程，而Trigger Loop可以包含多個觸發(fā)（many triggers），對應大循環(huán)和小循環(huán)。如圖x所示。

圖x DMA搬數(shù)過程中的大循環(huán)和小循環(huán)

小循環(huán)搬運的字節(jié)數(shù)，由各DMA通道的BCNT寄存器指定，它本身也是一個遞減計數(shù)器，每傳輸一個字節(jié)就減1，減到0時就停止搬運。

大循環(huán)的包含的小循環(huán)的次數(shù)（不是字節(jié)數(shù)，是對觸發(fā)信號的計數(shù)），由各DMA通道的TCNT_KDDIS[TCNT]寄存器字段指定，它本身也是一個遞減計數(shù)器，每執(zhí)行一次小循環(huán)（觸發(fā)）就減1，減到0時就停止。特別注意，此處的大循環(huán)管理的僅僅是觸發(fā)，而不是傳輸內(nèi)存塊，如果使用多個傳輸任務(wù)描述符鏈接起來的傳輸任務(wù)描述鏈表，則每個任務(wù)描述符（可能在不同的地址塊和傳輸模式搬運數(shù)據(jù)）都對應屬于各自的觸發(fā)次數(shù)（同一個通道的觸發(fā)源仍為同一個）。

大循環(huán)執(zhí)行一半和完畢時都有對應的標志位（DMA_CHTLHDIF和DMA_CHTLDIF），這里有個特別的設(shè)計，只有啟用DMA傳輸通道的大循環(huán)半完成和全完成的中斷時（DMA_CTS_CSR[THDINT]=1和DMA_CTS_CSR[TDINT]=1），這兩個標志位才會置位，否則哪怕對應的事件到來，也不會被置位。但另一個傳輸完成標志位（DMA_DONE和DMA_CTS_CSR[DONE]），無論是否開啟對應的中斷（DMA_CTS_CSR[LOOPINT])，都能置位。這里就有一點小糾結(jié)了，如果同時啟動了DMA_CTS_CSR[LOOPINT]和DMA_CTS_CSR[TDINT]=1，DMA_DONE和DMA_CHTLDIF所對應的行為將完全一樣，那么在一個大循環(huán)完成后產(chǎn)生中斷，其中的服務(wù)程序就需要同時清零這兩個標志位。（這里的設(shè)計似乎有點冗余，有似乎缺了點什么。。。）

DMA搬運任務(wù)的地址更新策略

DMA外設(shè)設(shè)計了非常靈活的搬運地址更新策略，可以覆蓋最大范圍的應用場景。但需要整理清楚其中的概念和更新時機，才能玩轉(zhuǎn)DMA，否則，一不小心產(chǎn)生了錯誤的參數(shù)配置狀態(tài)，DMA也將會停止工作并報錯（DMA_ERS）。

重申一次DMA搬數(shù)中的操作單元：

• 一次指定帶寬的總線傳輸被稱為一個搬運Transfer
• 一次觸發(fā)可以發(fā)起一個或多個連續(xù)的Transfer，也可被稱為Transfer Loop或者a loop of transfers，這也對應文中描述的小循環(huán)Minor Loop。
• 一組觸發(fā)可以包含一個或者多個連續(xù)的Minor Loop，也可被稱為Trigger Loop 或者a loop of triggers，這對應文中描述的大循環(huán) Major Loop。

以數(shù)據(jù)源地址指針為例（數(shù)據(jù)目標地址指針相同）：

• 最初的數(shù)據(jù)地址存放在寄存器DMA_CSR_SADDR中。這個寄存器中的值也會隨著DMA搬運過程的執(zhí)行變化，始終指向即將要搬運數(shù)據(jù)的地址。
• 預先配置DMA_CTS_TCNT寄存器的值大于等于1，表示本次DMA傳輸任務(wù)至少包含1次觸發(fā)產(chǎn)生的小循環(huán)。
• 一次觸發(fā)將啟動搬數(shù)過程。先從小循環(huán)走起。
• 每次總線傳輸搬運的數(shù)據(jù)長度（寬度），由寄存器DMA_CSR_TCR[SSIZE]配置，可以選擇1 Byte、2 Byte、4 Byte，以及16 Byte和32 Byte，這也代表了DMA使用數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)帶寬。每次搬運都是從當前的數(shù)據(jù)地址開始搬運帶寬指定數(shù)量的字節(jié)數(shù)。搬運過后，不對當前搬運數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生影響，指針保持不變。
• 每次搬運執(zhí)行后，可以由軟件指定一個地址偏移量，由寄存器DMA_CSR_SOFF配置，可以是正整數(shù)，也可以是負整數(shù)（地址向前跳）。這個偏移量是作用于當前搬運數(shù)據(jù)地址指針寄存器DMA_CSR_SADDR的，當搬運執(zhí)行后，當前地址指針將會加上這個偏移量，更新成新的地址指針。
• 如果有多次傳輸，則多次傳輸會連續(xù)執(zhí)行。DMA_CTS_BCNT寄存器預置了本次小循環(huán)的需要數(shù)據(jù)的總長度（以字節(jié)為單位），而不是地址范圍（切記，地址有可能是不連續(xù)地跳躍）。DMA控制器內(nèi)部會自動遞減DMA_CTS_BCNT寄存器的數(shù)，但不會覆寫到DMA_CTS_BCNT寄存器中，因為整個小循環(huán)的搬運過程是連續(xù)執(zhí)行的，用戶看不到中間狀態(tài)。
• 當小循環(huán)完成后，可以有一個對源數(shù)據(jù)地址指針的偏移。然而，這里并沒有設(shè)計。
• DMA_CTS_TCNT寄存器的值減1，并覆寫到DMA_CTS_TCNT寄存器中。如果值仍大于0，則說明當前的大循環(huán)任務(wù)還沒執(zhí)行完，繼續(xù)等下一個觸發(fā)啟動一次小循環(huán)。如果值被減到0，說明大循環(huán)任務(wù)完成，此時，DMA_DONE和DMA_CHTLDIF（若開放中斷）都會置位，同時，DMA控制器還會更新兩個計數(shù)值：
• 源數(shù)據(jù)指針在加上了最后一次搬運的偏移量（由寄存器DMA_CSR_SOFF配置）之后，還會立即繼續(xù)疊加一個大循環(huán)完成地址偏移，由寄存器DMA_CSR_STO配置，這也是一個可正可負的整數(shù)。計算的結(jié)果會覆寫到寄存器DMA_CSR_SADDR中。
• 將DMA_CTS_TCNTRV寄存器中預存的重載值覆寫到DMA_CTS_TCNT寄存器中，以便于啟動下次任務(wù)時無需重新配置這些計數(shù)器和地址指針。

說起來，個人覺得，如果設(shè)計小循環(huán)結(jié)束后有一個地址偏移，比實現(xiàn)大循環(huán)結(jié)束后的地址偏移更加直觀一些。大循環(huán)專門管理觸發(fā)（管理觸發(fā)的遞減和循環(huán)），小循環(huán)管理指針（地址的遞減和遞增等），分工相對更明確些。這里實現(xiàn)的大循環(huán)的一次性偏移，也可以等價實現(xiàn)為等分到每次小循環(huán)之后的地址偏移。

讀者可以自行進行實驗，觀察DMA寄存器中各計數(shù)器的變化。

圖x 利用Keil的寄存器調(diào)試界面調(diào)試

DMA控制器還支持Scatter Gather模式，將多個DMA傳輸任務(wù)串聯(lián)在一起，可以實現(xiàn)地址不規(guī)則的連續(xù)傳輸。在地址增長模式上，還有個回環(huán)遞增的模式可以用。可以在具體用到的時候再深究。手冊上的描述比較簡略，屆時仍需要用戶發(fā)揮主觀能動性，大膽猜想多做嘗試。

應用要點（軟件）

• YTMicro SDK提供了dma外設(shè)的驅(qū)動程序，以及配合其他外設(shè)使用的樣例工程，例如adc_dma、spi_slave_dma、spi_master_dma、sent_dma等。
• 在開源的arm-mcu-sdk倉庫中，也收納了ytm_dma驅(qū)動程序，以及對應的樣例工程dma_basic。