STM32 DMA 传输：原理、配置与串口 DMA 收发实战

DMA 是什么？为什么需要它？

在传统的数据传输中，CPU 需要反复读取外设数据寄存器，再写入内存，或者反过来。这种 PIO（Programmed I/O）方式占用大量 CPU 时间，尤其在高速通信（如串口、SPI、ADC）时，CPU 几乎被中断淹没。STM32 内置的 DMA 外设可以在没有 CPU 参与的情况下，直接在内存与外设之间搬运数据，传输完成后仅需一次中断通知 CPU。

DMA 的核心价值：

解放 CPU，提升系统实时响应能力；
支持批量数据传输，减少中断频率；
配合定时器、ADC 等可实现自动数据采集。

STM32 DMA 内部原理

STM32 的 DMA 控制器（如 DMA1、DMA2）包含多个独立的通道（Stream），每个通道可管理一个外设的读写请求。DMA 传输的三大要素：

源地址：外设数据寄存器或内存地址；
目标地址：内存或外设寄存器；
传输数量：要传输的数据单元个数。

传输时，DMA 控制器根据外设请求信号，自动完成以下操作：

从源地址读取数据；
暂存到内部缓冲区；
写入目标地址；
更新源/目标地址（若为递增模式），并递减传输计数；
传输计数为 0 时，产生传输完成中断（可选）。

关键参数：

方向：外设到内存（读）、内存到外设（写）、内存到内存；
地址递增：外设地址通常固定，内存地址可自动递增；
数据宽度：字节（8位）、半字（16位）、字（32位）；
循环模式：传输完成后自动重载配置，适合连续采样。

串口 DMA 收发配置步骤（HAL 库）

以 STM32F103 系列为例，使用 USART1 + DMA1 实现串口收发。

1. 使能 DMA 时钟并配置 DMA 通道

首先使能 DMA1 时钟，然后分别配置 TX 和 RX 的 DMA 通道。

// 使能 DMA1 时钟
__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

// 发送 DMA 通道配置（内存到外设）
DMA_HandleTypeDef hdma_tx;
hdma_tx.Instance = DMA1_Channel4; // USART1_TX 使用 DMA1_Channel4
hdma_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
hdma_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;   // 外设地址固定
hdma_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;       // 内存地址递增
hdma_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
hdma_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
hdma_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;              // 正常模式
HAL_DMA_Init(&hdma_tx);

// 将 DMA 句柄链接到 USART1 的 TX 句柄
__HAL_LINKDMA(&huart1, hdmatx, hdma_tx);

2. 配置接收 DMA 通道

DMA_HandleTypeDef hdma_rx;
hdma_rx.Instance = DMA1_Channel5; // USART1_RX 使用 DMA1_Channel5
hdma_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
hdma_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
hdma_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
hdma_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
hdma_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
hdma_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
HAL_DMA_Init(&hdma_rx);

__HAL_LINKDMA(&huart1, hdmarx, hdma_rx);

3. 配置串口并启用 DMA 中断

在串口初始化后，启动 DMA 收发并开启 DMA 中断（用于处理传输完成）。

// 启动 DMA 接收（接收缓冲区为 rx_buf，长度为 RX_BUF_SIZE）
HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, RX_BUF_SIZE);

// 启动 DMA 发送
HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, tx_buf, len);

// 开启 DMA 中断（TX 和 RX 通道）
HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel4_IRQn);
HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel5_IRQn);

完整示例代码

以下是一个使用 DMA 实现串口回环（接收什么发什么）的示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"

#define RX_BUF_SIZE 64

UART_HandleTypeDef huart1;
DMA_HandleTypeDef hdma_tx;
DMA_HandleTypeDef hdma_rx;
uint8_t rx_buf[RX_BUF_SIZE];

void DMA_Config(void);
void UART_Config(void);

int main(void)
{
    HAL_Init();
    UART_Config();
    DMA_Config();

    // 启动 DMA 接收
    HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, RX_BUF_SIZE);

    while (1)
    {
        // 主循环可以处理其他任务
    }
}

void DMA_Config(void)
{
    __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE();

    // TX DMA
    hdma_tx.Instance = DMA1_Channel4;
    hdma_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;
    hdma_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    HAL_DMA_Init(&hdma_tx);
    __HAL_LINKDMA(&huart1, hdmatx, hdma_tx);

    // RX DMA
    hdma_rx.Instance = DMA1_Channel5;
    hdma_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
    hdma_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE;
    hdma_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE;
    hdma_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL;
    HAL_DMA_Init(&hdma_rx);
    __HAL_LINKDMA(&huart1, hdmarx, hdma_rx);

    // 使能 DMA 中断
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel4_IRQn);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(DMA1_Channel5_IRQn);
}

void UART_Config(void)
{
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    HAL_UART_Init(&huart1);
}

// 接收完成回调（在 DMA 中断中调用）
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if (huart == &huart1)
    {
        // 将接收到的数据发回
        HAL_UART_Transmit_DMA(&huart1, rx_buf, RX_BUF_SIZE);
        // 重新启动接收
        HAL_UART_Receive_DMA(&huart1, rx_buf, RX_BUF_SIZE);
    }
}

void DMA1_Channel4_IRQHandler(void)
{
    HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_tx);
}

void DMA1_Channel5_IRQHandler(void)
{
    HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_rx);
}

注意事项与常见陷阱

DMA 通道映射：不同 STM32 系列、不同外设使用的 DMA 通道/流不同，务必查阅参考手册（如 USART1_TX 在 F1 是 DMA1_Channel4，在 F4 是 DMA2_Stream7）。
缓冲区生命周期：DMA 是异步传输，启动后必须保证源/目标缓冲区在传输期间不被释放或修改；尽量使用全局或静态数组。
循环模式与正常模式：正常模式一次传输完毕即停止，需要重新启动；循环模式自动重载，适合持续采样，但要注意数据处理及时性。
对齐问题：外设寄存器通常按字节对齐，内存地址递增时建议将缓冲区按自然边界对齐，避免性能损失或硬错误。
DMA 与缓存一致性：在带 Cache 的 Cortex-M7 系列（如 STM32H7）中，需要处理 Cache 一致性问题，使用 __HAL_DMA_CLEAR_FLAG 或调用 SCB_CleanDCache/SCB_InvalidateDCache。
中断优先级：DMA 中断优先级应合理设置，避免与高实时性中断冲突；接收超时检测（如空闲中断）常与 DMA 配合使用，实现不定长数据接收。

总结

DMA 是嵌入式系统中提升数据吞吐量的核心外设。通过合理配置 STM32 的 DMA 通道，可以轻松实现串口零 CPU 占用收发。掌握 DMA 原理和 HAL 库配置流程，再结合中断和空闲检测，能够构建出高效可靠的通信系统。开发时注意通道映射、缓冲区和 Cache 等细节，DMA 将成为你的得力助手。