DMA控制器如何减轻CPU负担？原理与实例详解

DMA控制器如何减轻CPU负担？原理与实例详解

DMA（直接存储器访问）控制器是嵌入式系统中一个重要的硬件组件，它能够在内存和外设之间传输数据，而无需CPU的直接参与。这种机制可以显著减轻CPU的负担，提高系统的整体性能。本文将详细介绍DMA控制器的工作原理，并通过一个具体的实例（使用STM32控制NeoPixels LED）来展示其实际应用。

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。

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。