引言

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

DMA可以在CPU之外，捕獲到觸發信號后，自行搬運數據從指定地址到另一個指定地址，并且還可以根據預先的配置自動計算下一次搬運的地址。使用DMA可以有效地節約CPU處理海量數據傳輸的負載。可以想見，如果使用中斷方式處理通過外設發送或者接收數據，CPU將會在頻繁切換中斷服務之間花費大量的時間。

另外，DMA從DMAMUX獲取的觸發源，能夠實現的自動讀寫的操作，若是某些讀操作或者寫操作能夠產生額外的觸發事件，還可以傳遞觸發，形成觸發鏈，最終可實現一些完全不需要硬件干預的自動化任務。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，并且共用同一個數據搬運引擎。DMA MUX管理了可以觸發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描述符（CTS）管理搬運數據的過程，并且還支持鏈接模式，即將多個傳輸任務描述符連鏈接在一起，形成傳輸任務鏈。

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模塊發出的觸發信號，進而觸發DMA在地址空間搬運數據的過程。如圖x所示。

圖x DMA控制器的系統框圖

需要注意的是，DMA的搬運過程是在地址空間內操作的，可以是從內存到內存，從外設到外設，在內存與外設之間等，對于DMA而言，只是搬數，至于數據映射到物理設備是外設還是內存，均由總線負責落實。

相對于有的DMA控制器將觸發信號和搬運數據源頭地址或目標地址綁定的設計，YTM32的DMA控制器將觸發信號和搬運任務所使用的地址相互獨立，例如，當某個定時器模塊產生的觸發信號觸發了DMA的一個搬運數據的任務（通道），這個任務可以將ADC轉換結果的數據搬運到內存中。這其中，定時器和ADC是沒有直接關聯的。

DMA通道的傳輸任務描述符

YTM32的DMA的各個通道，可以看做是各自獨立的傳輸任務，每個任務都有自己的觸發條件、對觸發條件的響應方式、搬運數據的源地址和目的地址、搬運數據的帶寬、搬運數據的數量、每次搬運完成后對搬運過程進行調整的策略等，如此看來，DMA控制器就是這些獨立任務的調度器，當多個任務被同時觸發時，以一定的調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，在DMA引擎的建模中，被稱為CTS（DMA Channel Transfer Structure），其結構如圖x所示。

圖x DMA通道的傳輸任務描述符

這個結構的內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構里，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結構體的內存覆寫到CTS對應的寄存器中。

除此之外，只是借鑒CTS結構中相關的寄存器，去配置DMA傳輸任務的參數即可，不必受限于CTS的抽象數據結構。

DMA的觸發信號

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

1. 軟件觸發

DMA的軟件觸發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的，每寫1次就發出一個觸發信號。每次觸發，執行一次小循環（one trigger loop）的搬運過程，TCNT寄存器中的計數器減1。

特別注意，軟件觸發是直接作用于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通過DMAMUX輸入到DMA控制器，軟件觸發也可以生效。相當于是，軟件觸發和DMAMUX導入的硬件觸發信號相或，然后統一輸入到DMA控制器。

2. 硬件觸發

DMA的硬件觸發信號來自于DMAMUX，而DMAMUX則可以從眾多觸發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選中的觸發信號，還需要經過一個REQEN的門控開關（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源，必須確保打開這個門控開關。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傳輸完成之后，自動關閉這個門控開關。如果DMA_CTS_CSR[DREQ]=0，則這個門控開關在大循環傳輸完畢后仍會保持打開。

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

圖x SPI外設模塊的使能DMA請求控制位

DMA的大循環和小循環

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

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（one trigger）執行的包含若干個transfer的搬運過程，而Trigger Loop可以包含多個觸發（many triggers），對應大循環和小循環。如圖x所示。

圖x DMA搬數過程中的大循環和小循環

小循環搬運的字節數，由各DMA通道的BCNT寄存器指定，它本身也是一個遞減計數器，每傳輸一個字節就減1，減到0時就停止搬運。

大循環的包含的小循環的次數（不是字節數，是對觸發信號的計數），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器，每執行一次小循環（觸發）就減1，減到0時就停止。特別注意，此處的大循環管理的僅僅是觸發，而不是傳輸內存塊，如果使用多個傳輸任務描述符鏈接起來的傳輸任務描述鏈表，則每個任務描述符（可能在不同的地址塊和傳輸模式搬運數據）都對應屬于各自的觸發次數（同一個通道的觸發源仍為同一個）。

大循環執行一半和完畢時都有對應的標志位（DMA_CHTLHDIF和DMA_CHTLDIF），這里有個特別的設計，只有啟用DMA傳輸通道的大循環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，那么在一個大循環完成后產生中斷，其中的服務程序就需要同時清零這兩個標志位。（這里的設計似乎有點冗余，有似乎缺了點什么。。。）

DMA搬運任務的地址更新策略

DMA外設設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DMA，否則，一不小心產生了錯誤的參數配置狀態，DMA也將會停止工作并報錯（DMA_ERS）。

重申一次DMA搬數中的操作單元：

• 一次指定帶寬的總線傳輸被稱為一個搬運Transfer
• 一次觸發可以發起一個或多個連續的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Minor Loop。
• 一組觸發可以包含一個或者多個連續的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 Major Loop。

以數據源地址指針為例（數據目標地址指針相同）：

• 最初的數據地址存放在寄存器DMA_CSR_SADDR中。這個寄存器中的值也會隨著DMA搬運過程的執行變化，始終指向即將要搬運數據的地址。
• 預先配置DMA_CTS_TCNT寄存器的值大于等于1，表示本次DMA傳輸任務至少包含1次觸發產生的小循環。
• 一次觸發將啟動搬數過程。先從小循環走起。
• 每次總線傳輸搬運的數據長度（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使用數據總線的數據帶寬。每次搬運都是從當前的數據地址開始搬運帶寬指定數量的字節數。搬運過后，不對當前搬運數據地址產生影響，指針保持不變。
• 每次搬運執行后，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，也可以是負整數（地址向前跳）。這個偏移量是作用于當前搬運數據地址指針寄存器DMA_CSR_SADDR的，當搬運執行后，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，則多次傳輸會連續執行。DMA_CTS_BCNT寄存器預置了本次小循環的需要數據的總長度（以字節為單位），而不是地址范圍（切記，地址有可能是不連續地跳躍）。DMA控制器內部會自動遞減DMA_CTS_BCNT寄存器的數，但不會覆寫到DMA_CTS_BCNT寄存器中，因為整個小循環的搬運過程是連續執行的，用戶看不到中間狀態。
• 當小循環完成后，可以有一個對源數據地址指針的偏移。然而，這里并沒有設計。
• 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任務還沒執行完，繼續等下一個觸發啟動一次小循環。如果值被減到0，說明大循環任務完成，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值：
• 源數據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，還會立即繼續疊加一個大循環完成地址偏移，由寄存器DMA_CSR_STO配置，這也是一個可正可負的整數。計算的結果會覆寫到寄存器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時無需重新配置這些計數器和地址指針。

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

讀者可以自行進行實驗，觀察DMA寄存器中各計數器的變化。

圖x 利用Keil的寄存器調試界面調試

DMA控制器還支持Scatter Gather模式，將多個DMA傳輸任務串聯在一起，可以實現地址不規則的連續傳輸。在地址增長模式上，還有個回環遞增的模式可以用。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外設的驅動程序，以及配合其他外設使用的樣例工程，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驅動程序，以及對應的樣例工程dma_basic。