玩轉單片機的重要功能 - DMA ，你的MCU編程設計有可能成為卷王！
發布時間：2023-11-30 09:11
發布者：eechina
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來源：DigiKey 作者：Alan Yang 直接存儲器訪問(DMA)控制器，可以在內存和/或外設之間傳輸數據，而不需要CPU參與每次傳輸。合理利用DMA控制器,可以減輕CPU的負擔。本文通過介紹DMA結構與工作原理，以及兩種模式（兵乓模式與多數據包緩沖傳輸模式），來看看使用DMA如何提高MCU效率。 DMA結構與工作原理 先進的DMA控制器，如STMicroelectronics的STM32F4系列中包含的控制器，可以通過靈活的數據流分配和傳輸管理功能進一步減輕CPU的負擔。 如圖左側所示，來自8個不同的通道DMA請求，并到仲裁器上，從而建立優先級(編號較低的輸入通道，具有較高的優先級)。然后激活最高優先級的傳輸，傳輸到圖中右側的兩個AHB 主設備（存儲器端口和外設接口），提高了外設到存儲器傳輸的效率。這可能是DMA在基于CPU的設計中最常見的情況。 
圖 1 STM32F4系列DMA控制器(圖片來源于STMicroelectronics) 為每個路徑分配單獨的FIFO，如圖1中間所示，允許針對每個外設接口的特性調整FIFO特性。例如，FIFO的閾值級別(請求傳輸的深度)可以單獨設置為FIFO大小的¼，½或¾。這允許低速通道等待，直到FIFO幾乎滿了才進行傳輸，以最小化開銷。更快的通道會更早地啟動傳輸，可能只有一半大小，以避免FIFO溢出。 我們來通過一個實例，來看看DMA怎么工作的。 實例：“使用 STM32 來控制 NeoPixels LED” 硬件部分采用STM32 開發板，與 NeoPixel LED、燈帶、矩陣等相連接。
RGB NeoPixels實際上是WS2812智能控制LED。下面是WS2812 LED的3字節數據協議的結構，分別代表綠紅藍三個信息。
圖 2 WS2812 LED的3字節數據協議的結構 使用計時器來PWM控制波形，然后配置DMA使CPU高效并且易于實施。
圖 3 WS2812 LED的0和1位的計時圖 在軟件中，配置DMA, 選擇了“TIM2_CH3/UP”, 將方向改為“內存到外設”, 同時，將優先級改為“非常高”,最后保存.ioc 文件，以生成項目代碼。
圖 4 配置DMA流，以便有效更新PWM信號的占空比 更多內容請看下面文章：使用 STM32 來控制 NeoPixels DMA的兩種模式 合理使用兩種DMA模式（兵乓模式與多數據包緩沖傳輸模式），可以幫助提高MCU效率。 USB外設是一個很好的外設示例，早期的USB實現的最大吞吐量只有1.5 Mb/秒。隨著更高性能的標準版本的出現。比如要接近12 Mbit/s全速USB標準的理論最大值。我們來看看，數據傳輸方面DMA如何幫助提高MCU效率！ 我們以Microchip的ATXMEGA16D4-MH舉例。 兵乓模式： 之前通常使用單個存儲器緩沖區進行外設數據傳輸。如果數據緩沖區已滿，MCU將響應NAK(否定確認)消息。接收到NAK后，主機將等待并稍后重試傳輸。它將繼續重試，直到MCU能夠成功接收數據。 ATXMEGA16D4-MH使用乒乓模式來消除這個問題。乒乓模式使用兩個存儲單元（memory banks）進行數據傳輸。當一個存儲單元滿時，主機可以將數據傳輸到另一個存儲單元。在兩個存儲單元之間交替傳輸可以避免復審，并提高整體數據帶寬。
圖 5 乒乓模式提高了效率(圖片來源于Microchip) 此外，如上圖所示，以乒乓模式還使MCU有更多時間來處理數據。如圖所示，沒有乒乓，CPU只能處理傳輸之間的數據。使用乒乓模式，CPU可以在傳輸周期的一部分時間內處理數據，并降低NAK被要求“趕上”數據處理要求的可能性。 多數據包緩沖傳輸模式 另一個很有用的模式，可以讓MCU的數據傳輸更高效。這個特性叫做“多數據包緩沖傳輸模式”。如果你要通過USB端口傳送的數據包，超過了全速USB的BULK傳輸模式所允許的最大值（64字節），那么就可以用上這個模式。以前，你需要在主機上把數據包分成小塊，然后在接收端把它們合并，這會增加中央處理器（CPU）的負擔。不過現在，多數據包緩沖功能加入了USB設備，它會在數據包超過USB標準大小時自動幫你分割和合并數據。重要的是，這個模式還能減少中斷的次數，因為只有在整個傳輸結束后才需要中斷CPU。這意味著，CPU可以處理其他任務，或者進入休眠模式，直到整個傳輸完成并且準備好處理。 總結: 合理利用DMA控制器,可以減輕減輕CPU的負擔，事半功倍。結合“乒乓緩沖”和“多傳輸模式”，你可以把傳輸的帶寬從基準BULK傳輸模式的5.6 Mb/s提升到8.7 Mbits/s，這是一個不小的提升。更重要的是，在使用這兩個功能的情況下，CPU的負擔從基準的46%降低到只有9%。這兩個功能的結合，不僅在性能上有所改進，而且還能節省能源。 |
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