DMA 核心概念与工程选型

从“CPU逐字节搬运”到“硬件自动传输”——STM32 DMA 完整学习笔记

一、DMA 核心概念

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问） 是 STM32 内置的硬件搬运外设。

核心作用：不占用 CPU，由硬件自动搬运数据，大幅解放内核，提升系统实时性。

CPU 只需要：初始化配置 → 启动 DMA → 坐等完成中断，搬运全程无需干预。

DMA 三大优势

1. 无需 CPU 逐字节读取，零占用内核

2. 硬件自动触发、自动搬运、速度极快

3. 适合高速、连续、大批量数据传输

二、DMA 三大工作模式

1. 普通模式（Normal）

工作机制：设定传输长度 N，DMA 搬运 N 个数据后自动停止、通道关闭。如需再次传输，必须软件重新使能、重载计数。

特点：一次性任务、自动停机、不会覆盖数据。

缺点：无法持续接收数据流，停机后新数据直接丢包。

2. 循环模式（Circular）

工作机制：数据搬运到末尾后，硬件自动重载计数器，DMA 永久运行、永不停止。数据写满缓冲区后自动从头覆盖，形成环形缓冲区。

特点：7×24 不间断传输、无停机、适合流式数据。

风险：CPU 处理不及时会覆盖旧数据，必须搭配中断分包。

3. 内存到内存模式（Mem2Mem）

唯一纯内存搬运模式，无任何外设参与。只能普通模式，不支持循环模式。由软件启动 DMA，不需要硬件触发信号。

用途：大块内存快速拷贝，替代 memcpy。

三、DMA 四种传输方向（工程最核心）

DMA 所有项目应用，全部来自下面 4 种组合。

方向一：外设 → 内存（接收方向）

本质：外部设备数据自动流入 MCU 内存。

固定配置：外设地址不递增（DMA_PeripheralInc_Disable）、内存地址递增（DMA_MemoryInc_Enable）。

① 外设→内存 + 普通模式（Normal）

适用场景：一次性、有限长度、触发式采集。

真实项目应用：

• 仪器仪表：按键触发单次 ADC 采样、均值滤波采集

• 传感器设备：I2C/SPI 单次读取温湿度、压力数据

• 物联网设备：上电一次性读取 Flash 配置参数

• 工业检测：单次采集一组电压电流数据

核心逻辑：采完一组就停机，不需要一直运行。

c

/**
 * @brief 外设→内存 + 普通模式：单次ADC采样
 * @note  ADC1_Channel0 → 内存数组，采样完成后DMA自动停止
 */
void ADC_DMA_Normal_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
    
    DMA_DeInit(DMA1_Channel1);
    
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&ADC1->DR;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)g_adc_buffer;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;      // 外设→内存
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 10;                   // 采集10个点后停止
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;            // 普通模式
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
    
    DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);
    
    // 使能DMA传输完成中断（可选）
    DMA_ITConfig(DMA1_Channel1, DMA_IT_TC, ENABLE);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);
}

② 外设→内存 + 循环模式（Circular）

适用场景：不间断流式数据、永久实时采集。

真实项目应用（工业最常用）：

• AGV 小车、机器人：RS485/USART 持续接收运动控制指令

• 充电桩、光伏逆变器：不间断 ADC 采集电压电流

• 音频设备：麦克风 I2S 持续录音

• 运动控制：SPI 编码器实时位置持续采集

• 智能家居：串口持续接收遥控、蓝牙数据流

工业标准方案：循环 DMA + 串口 IDLE 空闲中断（实现不定长帧接收）

c

/**
 * @brief 外设→内存 + 循环模式：串口DMA持续接收
 * @note  DMA自动将USART1收到的数据循环存入缓冲区
 *        配合IDLE空闲中断实现不定长帧接收
 */
#define USART_DMA_BUF_SIZE  256
uint8_t g_usart_rx_buffer[USART_DMA_BUF_SIZE];

void USART1_DMA_RX_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
    
    DMA_DeInit(DMA1_Channel5);  // USART1_RX 对应 DMA1_Channel5
    
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&USART1->DR;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)g_usart_rx_buffer;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;      // 外设→内存
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = USART_DMA_BUF_SIZE;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;         // 循环模式[reference:8]
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
    
    DMA_Init(DMA1_Channel5, &DMA_InitStructure);
    
    // 使能DMA半满中断 + 完成中断（防覆盖）[reference:9]
    DMA_ITConfig(DMA1_Channel5, DMA_IT_HT | DMA_IT_TC, ENABLE);
    
    DMA_Cmd(DMA1_Channel5, ENABLE);
    
    // 开启串口空闲中断
    USART_ITConfig(USART1, USART_IT_IDLE, ENABLE);
    USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Rx, ENABLE);
}

方向二：内存 → 外设（发送方向）

本质：MCU 内存数据自动推送到外设，向外输出信号。

固定配置：外设地址固定（DMA_PeripheralInc_Disable）、内存自增（DMA_MemoryInc_Enable）。

① 内存→外设 + 普通模式（Normal）

适用场景：一次性整块数据发送、刷屏、烧录、上报。

真实项目应用：

• 工业 HMI：LCD/OLED/SPI 屏幕一次性刷屏

• 存储设备：SPI Flash 一页数据烧录

• 物联网设备：定时上报日志、上报传感器数据

• 串口设备：一次性发送数据包、指令帧

c

/**
 * @brief 内存→外设 + 普通模式：串口DMA发送
 * @note  将内存中的字符串通过DMA发送到USART1
 */
void USART1_DMA_TX_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
    
    DMA_DeInit(DMA1_Channel4);  // USART1_TX 对应 DMA1_Channel4
    
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&USART1->DR;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)g_tx_buffer;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;      // 内存→外设
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = strlen((char*)g_tx_buffer);
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;            // 普通模式[reference:12]
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
    
    DMA_Init(DMA1_Channel4, &DMA_InitStructure);
    
    // 使能传输完成中断
    DMA_ITConfig(DMA1_Channel4, DMA_IT_TC, ENABLE);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel4, ENABLE);
    
    USART_DMACmd(USART1, USART_DMAReq_Tx, ENABLE);
}

// 启动一次DMA发送
void USART1_DMA_Send(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    DMA_Cmd(DMA1_Channel4, DISABLE);
    DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel4, len);
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)data;
    DMA_Init(DMA1_Channel4, &DMA_InitStructure);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel4, ENABLE);
}

② 内存→外设 + 循环模式（Circular）

适用场景：持续周期性输出固定波形/音频。

真实项目应用：

• 信号发生器：DAC 循环输出正弦波、三角波、方波

• 变频器、电机驱动：DAC 模拟波形持续输出

• 音频设备：循环播放提示音、报警音

• 灯光控制器：SPI 持续输出时序信号

重点坑点：运行中修改缓存必须用双缓冲，否则波形撕裂、数据错乱。

c

/**
 * @brief 内存→外设 + 循环模式：DAC输出正弦波
 * @note  DMA循环从正弦波表中搬运数据到DAC寄存器
 *        配合定时器触发，实现连续波形输出[reference:16]
 */
#define SINE_WAVE_POINTS  32
uint16_t g_sine_wave[SINE_WAVE_POINTS];  // 预计算的正弦波表

void DAC_DMA_Circular_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
    
    // 预计算正弦波表（12位DAC，0~4095）
    for (int i = 0; i < SINE_WAVE_POINTS; i++) {
        g_sine_wave[i] = (uint16_t)(2048 + 2047 * sin(2 * PI * i / SINE_WAVE_POINTS));
    }
    
    DMA_DeInit(DMA1_Channel3);  // DAC1 对应 DMA1_Channel3
    
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&DAC->DHR12R1;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)g_sine_wave;
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralDST;      // 内存→外设
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = SINE_WAVE_POINTS;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;         // 循环模式[reference:17]
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Disable;
    
    DMA_Init(DMA1_Channel3, &DMA_InitStructure);
    
    DMA_Cmd(DMA1_Channel3, ENABLE);
    
    // 使能DAC的DMA请求
    DAC_DMACmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
    DAC_Cmd(DAC_Channel_1, ENABLE);
}

方向三：内存 → 内存（Mem2Mem）

无外设、无硬件触发、纯内存搬运。只能普通模式，禁止循环模式。

真实项目应用：

• 液晶屏 UI：Flash 字库/图片搬运到 SRAM 显存

• 图像设备：摄像头大数据块内存平移、拷贝

• 系统初始化：批量拷贝配置参数

• 替代库函数 memcpy，大幅节省 CPU 资源

绝对不能用：串口、ADC、DAC、SPI 等所有外设传输。

c

/**
 * @brief 内存→内存模式：大块数据快速拷贝
 * @note  纯内存搬运，无外设参与，只能普通模式
 */
#define MEM2MEM_BUF_SIZE  1024
uint32_t g_src_buffer[MEM2MEM_BUF_SIZE];
uint32_t g_dst_buffer[MEM2MEM_BUF_SIZE];

void DMA_Mem2Mem_Config(void)
{
    DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
    
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_DMA1, ENABLE);
    
    // 注意：Mem2Mem只能使用DMA2（大容量芯片）或特定通道[reference:23]
    // STM32F103ZET6 使用 DMA1_Channel1 ~ 7 均可支持 Mem2Mem
    DMA_DeInit(DMA1_Channel1);
    
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)g_src_buffer;  // 源地址
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryBaseAddr = (uint32_t)g_dst_buffer;      // 目标地址
    DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralSRC;  // 从源读（此处把外设当内存用）
    DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = MEM2MEM_BUF_SIZE;
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Enable;     // 源地址递增
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;             // 目标地址递增
    DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Word;
    DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Word;
    DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal;          // 只能普通模式
    DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;
    DMA_InitStructure.DMA_M2M = DMA_M2M_Enable;            // 使能内存到内存模式[reference:25]
    
    DMA_Init(DMA1_Channel1, &DMA_InitStructure);
    
    // 使能传输完成中断
    DMA_ITConfig(DMA1_Channel1, DMA_IT_TC, ENABLE);
}

// 启动一次内存拷贝（软件触发，无需外设信号）
void DMA_Mem2Mem_Start(void)
{
    DMA_Cmd(DMA1_Channel1, DISABLE);
    DMA_SetCurrDataCounter(DMA1_Channel1, MEM2MEM_BUF_SIZE);
    DMA_Cmd(DMA1_Channel1, ENABLE);  // 软件启动，立即开始搬运
}

四、DMA 中断类型详解

DMA 支持三种中断事件，通过“线或”方式共享一个中断向量：

中断类型	标志位	触发条件	典型用途
传输完成（TC）	TCIF	全部数据搬运完毕	通知CPU数据已就绪
半传输完成（HT）	HTIF	搬运到缓冲区一半	实现“软双缓冲”，防止覆盖
传输错误（TE）	TEIF	总线错误、地址非法	异常处理

c

/**
 * @brief DMA中断服务函数（以DMA1_Channel5为例）
 * @note  需在中断中判断具体中断源[reference:31]
 */
void DMA1_Channel5_IRQHandler(void)
{
    // 半传输完成中断（HT）—— 前半段数据已就绪[reference:32]
    if (DMA_GetITStatus(DMA1_IT_HT5) != RESET) {
        DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_HT5);
        // 处理缓冲区前半部分数据[reference:33]
        Process_Half_Buffer(0, USART_DMA_BUF_SIZE / 2);
    }
    
    // 传输完成中断（TC）—— 全部数据已就绪[reference:34]
    if (DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TC5) != RESET) {
        DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TC5);
        // 处理缓冲区后半部分数据[reference:35]
        Process_Half_Buffer(USART_DMA_BUF_SIZE / 2, USART_DMA_BUF_SIZE);
    }
    
    // 传输错误中断（TE）
    if (DMA_GetITStatus(DMA1_IT_TE5) != RESET) {
        DMA_ClearITPendingBit(DMA1_IT_TE5);
        // 错误处理
        Error_Handler();
    }
}

半满中断 + 完成中断 = 软双缓冲：将单个大缓冲区逻辑上分成两半，DMA 写入前半段时触发 HT 中断，CPU 处理前半段数据；DMA 继续写入后半段，两者互不干扰。这是 STM32F1 系列没有硬件双缓冲时的替代方案。

五、DMA 优先级仲裁

当多个 DMA 通道同时请求传输时，需通过优先级仲裁决定响应顺序：

• 软件优先级（4级）：DMA_Priority_VeryHigh > High > Medium > Low

• 硬件优先级：软件优先级相同时，通道号越小优先级越高

c

// 高优先级通道配置示例
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_VeryHigh;

六、面试高频标准答案

1. 为什么串口接收要用循环 DMA，不用普通 DMA？

普通 DMA 收满长度会自动停机，串口数据流是不定长、随时到来，停机后会丢包。循环 DMA 永久运行，配合 IDLE 空闲中断可实现工业级不定长帧接收。

2. DAC 输出波形为什么必须循环模式？

普通模式发送完一次数据就停止，电平固定不变，无法形成连续波形。循环模式可以重复循环波形表，输出连续正弦/三角波。

3. Mem2Mem 为什么不能循环？

硬件设计禁止，循环内存拷贝会长期占用总线带宽，抢占外设实时数据流，造成通讯、采样异常。

4. 循环 DMA 最大风险是什么？

缓冲区覆盖。CPU 处理速度跟不上 DMA 写入速度，旧数据被新数据直接覆盖。解决方案：HT/TC 中断 + 双缓冲（软双缓冲）。

5. DMA 的优先级是如何分配的？

DMA 优先级分为软件优先级（4级：VeryHigh/High/Medium/Low）和硬件优先级。当软件优先级相同时，通道号越小的优先级越高。多个 DMA 请求同时发生时，优先级高的先响应。

6. DMA 的“半满中断”有什么用？

在循环 DMA 模式下，半满中断（HT）在 DMA 写到缓冲区一半时触发，配合完成中断（TC）可以将缓冲区拆分为两半，实现“软双缓冲”。当 CPU 在处理前半段数据时，DMA 继续向后半段写入，防止数据覆盖。这是 STM32F1 系列没有硬件双缓冲时的标准替代方案。

七、全文总结（一句话记住所有 DMA）

单次任务用普通，流式任务用循环，外设收发分方向，内存拷贝用 MEM2MEM。

场景	模式	方向
单次ADC采样	Normal	外设→内存
串口持续接收	Circular	外设→内存
一次性发送数据包	Normal	内存→外设
DAC连续输出波形	Circular	内存→外设
大块内存拷贝	Normal (Mem2Mem)	内存→内存