教你玩转[18]_RVSTAR—DMA数据传输篇

草帽王子

在之前的内容里，我们使用过UART、SPI、I2C等接口进行过数据传输，在处理通信数据时，几乎都是在主程序或中断服务程序中进行数据的转存，这样耗费了大量的CPU时间。幸运的是，微控制器的设计者也考虑到这个问题，设计出了DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）传输功能，使得数据可以从一个地址空间复制到另一个地址空间，而不经过CPU，从而让CPU专注在其他功能上。本期内容我们以UART的DMA传输为例，简单介绍DMA的应用方法。

• 系统环境： Windows 10-64bit
• 软件平台： NucleiStudio IDE 202102版 或 PlatformIO IDE 、CoolTer
• 硬件需求：RV-STAR开发板 、TTL-USB串口转换
  

一、DMA（直接内存访问）原理

DMA，全称Direct Memory Access，即直接存储器访问。DMA传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。传输动作的初始化由CPU完成，而传输动作本身由DMA控制器来实行。典型的例子就是移动一个外部内存的区块到芯片内部更快的内存区。DMA的方式并没有让处理器工作拖延，反而可以去处理其他的工作。DMA对于高效能嵌入式系统算法和网络传输是很重要的。

在实现DMA传输时，是由DMA控制器直接掌管总线，因此，存在着一个总线控制权转移问题。即DMA传输前，CPU要把总线控制权交给DMA控制器，而在结束DMA传输后，DMA控制器应立即把总线控制权再交回给CPU。一个完整的DMA传输过程必须经过DMA请求、DMA响应、DMA传输、DMA结束4个步骤。


二、GD32VF103的DMA控制器

GD32VF103的DMA控制器有12个通道（DMA0有7个通道，DMA1有5个通道）。每个通道都是专门用来处理一个或多个外设的存储器访问请求的。DMA控制器内部实现了一个仲裁器，用来仲裁多个DMA请求的优先级。

DMA控制器和RISC-V内核共享系统总线，当DMA和CPU访问同样的地址空间时，DMA访问可能会阻挡CPU访问系统总线几个总线周期。总线矩阵中实现了循环仲裁算法来分配DMA与CPU的访问权，它可以确保CPU得到至少一半的系统总线带宽。

主要特征如下：

• 传输数据长度可编程配置，最大到65536
• 12个通道，并且每个通道都可配置（DMA0有7个通道，DMA1有5个通道）
• AHB和APB外设，片上闪存和SRAM都可以作为访问的源端和目的端
• 每个通道连接固定的硬件DMA请求
• 支持软件优先级（低、中、高、极高）和硬件优先级（通道号越低，优先级越高）
• 存储器和外设的数据传输宽度可配置：字节，半字，字
• 存储器和外设的数据传输支持固定寻址和增量式寻址
• 支持循环传输模式
• 支持外设到存储器，存储器到外设，存储器到存储器的数据传输
• 每个通道有3种类型的事件标志和独立的中断
• 支持中断的使能和清除
  

三、实验部分

原理部分已经介绍过，DMA的工作过程比较简单，开发起来也比较容易，用户只需要结合数据手册，明确微控制器DMA通道和外设间对应关系，明确DMA的源地址、目的地址、数据宽度等信息，在开发时对DMA控制器和外设进行相应的使能和配置即可。

由于RV-STAR的USB串口（UART4）不支持DMA功能，本次的实验使用UART3进行：首先使用串口的DMA发送功能，让数据不经CPU直接从内存（txbuffer）传输到串口的发送端，然后使用串口的DMA接收功能接收10个字节的数据，保存到rxbuffer中，最后在主循环中（使用CPU）将rxbuffer接收到的数据再通过串口发送出去。

1. #include "nuclei_sdk_hal.h"
   
2. 
   
3. uint8_t rxbuffer[10];
   
4. uint8_t txbuffer[] = "\nUART DMA receive and transmit example, please input 10 bytes:\n";
   
5. #define ARRAYNUM(arr_name) (uint32_t)(sizeof(arr_name) / sizeof(*(arr_name)))
   
6. 
   
7. void uart_init();
   
8. void uart_send(int ch);
   
9. 
   
10. int main()
    
11. {
    
12.     dma_parameter_struct dma_init_struct;
    
13.     /* enable DMA1 */
    
14.     rcu_periph_clock_enable(RCU_DMA1);
    
15.     /* initialize UART3 */
    
16.     uart_init();
    
17. 
    
18.     /* deinitialize DMA Channel4(UART3_TX) */
    
19.     dma_deinit(DMA1, DMA_CH4);
    
20.     dma_init_struct.direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPHERAL;
    
21.     dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)txbuffer;
    
22.     dma_init_struct.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE;
    
23.     dma_init_struct.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_8BIT;
    
24.     dma_init_struct.number = ARRAYNUM(txbuffer) - 1;
    
25.     dma_init_struct.periph_addr = (uint32_t)&USART_DATA(UART3);
    
26.     dma_init_struct.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE;
    
27.     dma_init_struct.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_8BIT;
    
28.     dma_init_struct.priority = DMA_PRIORITY_ULTRA_HIGH;
    
29.     dma_init(DMA1, DMA_CH4, &dma_init_struct);
    
30.     /* configure DMA mode */
    
31.     dma_circulation_disable(DMA1, DMA_CH4);
    
32.     /* enable DMA channel3 */
    
33.     dma_channel_enable(DMA1, DMA_CH4);
    
34. 
    
35.     /* USART DMA enable for transmission and reception */
    
36.     usart_dma_transmit_config(UART3, USART_DENT_ENABLE);
    
37.     usart_dma_receive_config(UART3, USART_DENR_ENABLE);
    
38. 
    
39.     /* wait DMA Channel transfer complete */
    
40.     while (RESET == dma_flag_get(DMA1, DMA_CH4, DMA_FLAG_FTF));
    
41.     while (1) {
    
42.         /* deinitialize DMA1 Channel2 (UART3_RX) */
    
43.         dma_deinit(DMA1, DMA_CH2);
    
44.         dma_init_struct.direction = DMA_PERIPHERAL_TO_MEMORY;
    
45.         dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)rxbuffer;
    
46.         dma_init_struct.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE;
    
47.         dma_init_struct.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_8BIT;
    
48.         dma_init_struct.number = 10;
    
49.         dma_init_struct.periph_addr = (uint32_t)&USART_DATA(UART3);
    
50.         dma_init_struct.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE;
    
51.         dma_init_struct.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_8BIT;
    
52.         dma_init_struct.priority = DMA_PRIORITY_ULTRA_HIGH;
    
53.         dma_init(DMA1, DMA_CH2, &dma_init_struct);
    
54.         /* configure DMA mode */
    
55.         dma_circulation_disable(DMA1, DMA_CH2);
    
56.         /* enable DMA channel4 */
    
57.         dma_channel_enable(DMA1, DMA_CH2);
    
58. 
    
59.         /* wait DMA channel transfer complete */
    
60.         while (RESET == dma_flag_get(DMA1, DMA_CH2, DMA_FLAG_FTF));
    
61. 
    
62.         for (int i = 0; i < 10; i++) {
    
63.             uart_send(rxbuffer[i]);
    
64.         }
    
65.         uart_send('\n');
    
66.     }
    
67. }

复制代码

代码结构比较清晰，读者们可以自行阅读消化（包含uart_init()和uart_send()实现的完整代码工程，请参考文末附带链接）。

代码编写完成后，需要编译并上传到开发板，然后需要使用一个类似下图所示的TTL-USB串口转换器，将RV-STAR的UART3串口通过它连接到电脑上，其中：UART3_TX（PC10）连接到转换器的RX引脚上，UART3_RX（PC11）连接到转换器的TX引脚上，然后连接两个开发板的GND地线即可。

连接完成后，发现设备管理器上除了RV-STAR的默认串口（UART4）外，增加了一个端口，然后使用CoolTerm串口工具连接这个串口，按下RV-STAR上的复位键，发现终端中打印出了从txbuffer经DMA传输到UART发送端的数据。

然后使用CoolTerm的发送字符串功能，一次性发送10个字节的数据，发现终端上返回了刚刚发送的10字节数据，说明数据从串口输入经DMA存入到内存（rxbuffer）又被正常发送到了串口，实验完成。

本次实验源码：https://github.com/Nuclei-Softwa ... ar/dma/dma_ram_uart

完