原创 使用DMA如何提高MCU效率

直接存储器访问(DMA)控制器，可以在内存和/或外设之间传输数据，而不需要CPU参与每次传输。合理利用DMA控制器,可以减轻CPU的负担。本文通过介绍DMA结构与工作原理，以及两种模式（兵乓模式与多数据包缓冲传输模式），来看看使用DMA如何提高MCU效率。

DMA结构与工作原理

先进的DMA控制器，如STMicroelectronics的STM32F4系列中包含的控制器，可以通过灵活的数据流分配和传输管理功能进一步减轻CPU的负担。

如图左侧所示，来自8个不同的通道DMA请求，并到仲裁器上，从而建立优先级(编号较低的输入通道，具有较高的优先级)。然后激活最高优先级的传输，传输到图中右侧的两个AHB 主设备（存储器端口和外设接口），提高了外设到存储器传输的效率。这可能是DMA在基于CPU的设计中最常见的情况。

图 1 STM32F4系列DMA控制器(图片来源于STMicroelectronics)

为每个路径分配单独的FIFO，如图1中间所示，允许针对每个外设接口的特性调整FIFO特性。例如，FIFO的阈值级别(请求传输的深度)可以单独设置为FIFO大小的¼，½或¾。这允许低速通道等待，直到FIFO几乎满了才进行传输，以最小化开销。更快的通道会更早地启动传输，可能只有一半大小，以避免FIFO溢出。

我们来通过一个实例，来看看DMA怎么工作的。

实例：“使用 STM32 来控制 NeoPixels LED”

硬件部分采用STM32 开发板，与 NeoPixel LED、灯带、矩阵等相连接。

RGB NeoPixels实际上是WS2812智能控制LED。下面是WS2812 LED的3字节数据协议的结构，分别代表绿红蓝三个信息。

图 2 WS2812 LED的3字节数据协议的结构

使用计时器来PWM控制波形，然后配置DMA使CPU高效并且易于实施。

图 3 WS2812 LED的0和1位的计时图

在软件中，配置DMA, 选择了“TIM2_CH3/UP”, 将方向改为“内存到外设”, 同时，将优先级改为“非常高”,最后保存.ioc 文件，以生成项目代码。

图 4 配置DMA流，以便有效更新PWM信号的占空比

DMA的两种模式

合理使用两种DMA模式（兵乓模式与多数据包缓冲传输模式），可以帮助提高MCU效率。

USB外设是一个很好的外设示例，早期的USB实现的最大吞吐量只有1.5 Mb/秒。随着更高性能的标准版本的出现。比如要接近12 Mbit/s全速USB标准的理论最大值。我们来看看，数据传输方面DMA如何帮助提高MCU效率！

我们以Microchip的ATXMEGA16D4-MH举例。

兵乓模式：

之前通常使用单个存储器缓冲区进行外设数据传输。如果数据缓冲区已满，MCU将响应NAK(否定确认)消息。接收到NAK后，主机将等待并稍后重试传输。它将继续重试，直到MCU能够成功接收数据。

ATXMEGA16D4-MH使用乒乓模式来消除这个问题。乒乓模式使用两个存储单元（memory banks）进行数据传输。当一个存储单元满时，主机可以将数据传输到另一个存储单元。在两个存储单元之间交替传输可以避免复审，并提高整体数据带宽。

图 5 乒乓模式提高了效率(图片来源于Microchip)

此外，如上图所示，以乒乓模式还使MCU有更多时间来处理数据。如图所示，没有乒乓，CPU只能处理传输之间的数据。使用乒乓模式，CPU可以在传输周期的一部分时间内处理数据，并降低NAK被要求“赶上”数据处理要求的可能性。

多数据包缓冲传输模式

另一个很有用的模式，可以让MCU的数据传输更高效。这个特性叫做“多数据包缓冲传输模式”。如果你要通过USB端口传送的数据包，超过了全速USB的BULK传输模式所允许的最大值（64字节），那么就可以用上这个模式。以前，你需要在主机上把数据包分成小块，然后在接收端把它们合并，这会增加中央处理器（CPU）的负担。不过现在，多数据包缓冲功能加入了USB设备，它会在数据包超过USB标准大小时自动帮你分割和合并数据。重要的是，这个模式还能减少中断的次数，因为只有在整个传输结束后才需要中断CPU。这意味着，CPU可以处理其他任务，或者进入休眠模式，直到整个传输完成并且准备好处理。

总结:

合理利用DMA控制器,可以减轻减轻CPU的负担，事半功倍。结合“乒乓缓冲”和“多传输模式”，你可以把传输的带宽从基准BULK传输模式的5.6 Mb/s提升到8.7 Mbits/s，这是一个不小的提升。更重要的是，在使用这两个功能的情况下，CPU的负担从基准的46%降低到只有9%。这两个功能的结合，不仅在性能上有所改进，而且还能节省能源。