【数据处理策略】：如何有效利用STM32的DMA进行数据采集，效率提升10倍！


参考资源链接：[STM32 ADC应用：太阳能电池板电压电流监测与数码管显示](https://wenku.csdn.net/doc/6412b75abe7fbd1778d49fed?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. DMA技术在数据采集中的作用

数据采集是现代科技中的重要环节，尤其在高速数据流的处理场景下，如音视频编解码、高频交易系统等。传统的数据处理方式往往依赖于CPU的直接控制，这会导致CPU负担过重，处理效率低下。直接内存访问（DMA）技术作为一种有效的数据传输手段，能够解放CPU，直接在内存和外设之间传输数据，极大地提高了数据采集的效率。

在本章中，我们将探讨DMA技术的基本概念及其在数据采集中的关键作用。首先，我们将解释DMA技术与传统数据传输方式的差异。随后，我们将重点介绍DMA技术如何减少CPU干预，降低系统开销，以及它是如何成为提高数据采集效率的重要技术之一。

此外，我们还将简要分析DMA技术的应用场景以及它在现代IT行业中不断扩展的趋势，为读者提供一个全面的视角来理解DMA在数据采集中的核心作用。通过本章的学习，读者将对DMA技术有一个清晰的认知，并为进一步探索本主题的后续章节打下坚实的基础。

# 2. STM32的DMA基础知识

## 2.1 DMA控制器的工作原理

### 2.1.1 DMA的概念和优势

直接内存访问（DMA）技术是一种允许外设与系统内存直接进行数据交换的技术，无需CPU介入即可完成数据的读写操作。在数据密集型应用中，这种机制显著地减少了CPU的负载，提高了数据传输的效率。

使用DMA的优势主要表现在以下几个方面：

- **减少CPU干预**：传统的数据传输需要CPU介入，占用其资源。DMA使得CPU可以释放出来处理其他的任务，从而提高系统的总体性能。
- **降低功耗**：CPU不需要参与数据传输，因此可以进入低功耗状态，特别是在低功耗的嵌入式系统中，这一点尤为重要。
- **提升数据吞吐量**：对于高速外设，如以太网、USB等，DMA可以实现快速的数据传输，提升系统性能。

### 2.1.2 DMA在STM32中的实现机制

STM32微控制器中的DMA控制器是独立于CPU工作的，它有自己的仲裁器来管理多个DMA通道，每个通道可以配置为单次传输或循环模式，支持不同的传输类型，例如内存到内存、内存到外设、外设到内存。

在STM32中实现DMA需要以下步骤：

- **通道分配**：根据应用需求，将DMA通道分配给相应的外设。
- **通道配置**：配置DMA通道，包括传输方向、内存和外设地址增量模式、传输大小以及优先级。
- **触发配置**：设置触发源，确保在正确的时刻启动DMA传输。这可以是软件触发，也可以是外设事件触发。
- **中断配置**：配置DMA传输完成和半传输等中断，以处理传输中的各种事件。

## 2.2 STM32中DMA的相关配置

### 2.2.1 配置DMA通道

配置STM32的DMA通道涉及多个寄存器的设置，以及正确地选择和配置DMA流。以下是配置DMA通道的基本步骤：

1. 选择合适的DMA流（Stream）和通道（Channel），并检查是否已经使能。
2. 设置DMA的传输方向、数据大小和增量模式。
3. 配置源地址和目标地址，这些地址通常是指向内存缓冲区或者外设数据寄存器的指针。
4. 设置传输数据块的大小和DMA传输的优先级。

// 代码示例：配置DMA通道
// 假设使用的是STM32F4系列微控制器

// 初始化DMA
DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

// 使能DMA1时钟
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA1, ENABLE);

// DMA1 Stream0 channel0 配置
DMA_DeInit(DMA1_Stream0);
DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_0;
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t)&(Peripheral_Data_Address); // 外设数据地址
DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t)&(Memory_Data_Address); // 内存数据地址
DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory; // 外设到内存
DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 128; // 数据块大小
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable; // 外设地址固定
DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable; // 内存地址递增
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_Byte; // 外设数据宽度
DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_Byte; // 内存数据宽度
DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Normal; // 正常模式
DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High; // 高优先级
DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable; // 禁用FIFO
DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull; // FIFO阈值
DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single; // 内存突发模式
DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single; // 外设突发模式
DMA_Init(DMA1_Stream0, &DMA_InitStructure);

// 使能DMA1 Stream0中断
DMA_ITConfig(DMA1_Stream0, DMA_IT_TC | DMA_IT_TE, ENABLE);

// 配置中断优先级并使能
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Stream0_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

// 使能DMA1 Stream0
DMA_Cmd(DMA1_Stream0, ENABLE);

### 2.2.2 选择合适的触发源和传输方向

选择正确的触发源对于确保数据按预期传输至关重要。STM32的DMA支持多种触发源，这取决于外设的特性。

- 对于定时器外设，触发源可能是定时器的更新事件（Update Event）。
- 对于ADC转换，触发源可以是ADC转换完成事件。
- 对于串行通信外设，触发源可能是接收到数据时产生的接收中断。

传输方向分为以下几种：

- **内存到内存**：用于高效的数据复制。
- **内存到外设**：用于将数据写入外设，例如，将音频样本写入DAC。
- **外设到内存**：用于读取外设数据，例如，从ADC读取转换结果。

### 2.2.3 设置传输数据大小和优先级

传输数据大小直接影响到DMA控制器如何管理内存中的数据。在STM32中，数据大小可以通过设置`DMA_InitStructure.DMA_BufferSize`字段来配置。传输的数据块大小可以是任意值，但必须符合外设和内存的对齐要求。

优先级配置允许系统在多个DMA传输请求同时发生时，决定处理请求的顺序。STM32的DMA支持四个不同的优先级级别：高、中高、中低和低。通过`DMA_InitStructure.DMA_Priority`字段设置。

## 2.3 DMA中断处理详解

### 2.3.1 中断源和中断向量

STM32的DMA控制器能够产生多种中断，这些中断可以是传输完成、半传输完成、传输错误以及FIFO错误等。中断向量是中断服务程序的入口地址，每个DMA流都有独立的中断向量。

中断向量表的配置通常在启动代码（startup file）中完成。要为DMA流配置中断向量，需要修改中断向量表中的相应条目，指向相应的中断服务函数。

### 2.3.2 中断服务程序的编写与实现

编写中断服务程序（ISR）是配置DMA的一个重要部分，它处理传输完成等事件。中断服务程序通常包括检查中断标志位、清除中断标志位以及执行传输完成后的必要处理。

void DMA1_Stream0_IRQHandler(void)
{
  if(DMA_GetITStatus(DMA1_Stream0, DMA_IT_TCIF0)) // 检查DMA传输完成标志位
  {
    DMA_ClearITPendingBit(DMA1_Stream0, DMA_IT_TCIF0); // 清除中断标志位

    // 执行传输完成后的处理代码
    // ...
  }
  else if(DMA_GetITStatus(DMA1_Stream0, DMA_IT_TEIF0)) // 检查DMA传输错误标志位
  {
    DMA_ClearITPendingBit(DMA1_Stream0, DMA_IT_TEIF0); // 清除中断标志位

    // 执行传输错误后的处理代码
    // ...
  }
  // 其他必要的中断处理代码
}

通过这种方式，STM32可以高效地处理由DMA完成的数据传输任务，无需CPU不断轮询状态寄存器。这不仅提高了数据处理