STM32H7 使用 MDMA 与 DMA 双缓冲实现 ADC 连续采样零 CPU 干预的时序对齐技巧

引言

在工业自动化、音频处理和高速数据采集等场景中，ADC 连续采样要求极高的吞吐量和低延迟。STM32H7 系列内置了强大的 MDMA（Master DMA）和标准 DMA 控制器，通过巧妙组合，可以实现 ADC 数据从外设到内存的全自动搬运，全程无需 CPU 干预。然而，多 DMA 协同工作时，时序对齐成为关键难点。本文将分享一种基于双缓冲的时序对齐方案，确保数据连续性和一致性。

原理剖析

DMA 与 MDMA 的分工

DMA1/DMA2：负责外设（如 ADC）到内存（SRAM）的数据传输，支持循环模式，可配置双缓冲。
MDMA：作为高级 DMA，支持内存到内存、外设到内存等传输，具备链表模式和 64 位带宽，可处理大块数据搬运。

双缓冲机制

双缓冲（Double Buffering）利用两个内存缓冲区交替接收数据。当 DMA 正在填充缓冲区 A 时，CPU 或 MDMA 可处理缓冲区 B 的数据，从而避免数据覆盖。在 STM32H7 中，DMA 的双缓冲模式通过 DMA_SxCR 寄存器的 DBM 位启用，并利用 CT 位指示当前使用的缓冲区。

时序对齐的核心思想

ADC 连续采样产生固定速率的数据流。DMA 以循环模式将数据写入缓冲区，当缓冲区满时触发传输完成中断。此时，MDMA 被触发，将已满的缓冲区数据搬运至更大的存储区（如外部 SDRAM）或进行预处理。关键在于：

缓冲区大小与采样率匹配：确保 DMA 填充一个缓冲区的时间足够 MDMA 完成搬运，避免数据丢失。
中断优先级与触发时机：利用 DMA 的传输完成中断（TC）精确触发 MDMA，保证数据在缓冲区切换瞬间被搬走。

配置步骤

1. 硬件资源

STM32H743 开发板
ADC1 通道（如 PA3）
内部 SRAM（缓冲区）和外部 SDRAM（可选）

2. 初始化 ADC

配置 ADC 为连续转换模式，采样率设为 1MHz，数据宽度 16 位。使用 HAL 库简化配置：

ADC_HandleTypeDef hadc1;

void ADC_Init(void) {
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_16B;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
}

3. 配置 DMA 双缓冲

使用 DMA2 Stream0，配置为循环模式，双缓冲，数据宽度半字（16 位）。定义两个缓冲区：

#define BUFFER_SIZE 1024
uint16_t bufferA[BUFFER_SIZE];
uint16_t bufferB[BUFFER_SIZE];

void DMA_Init(void) {
    __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();
    hdma_adc.Instance = DMA2_Stream0;
    hdma_adc.Init.Request = DMA_REQUEST_ADC1;
    hdma_adc.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;
    hdma_adc.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;
    hdma_adc.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;
    hdma_adc.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;
    hdma_adc.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
    hdma_adc.Init.Mode = DMA_CIRCULAR;
    hdma_adc.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH;
    hdma_adc.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE;
    HAL_DMA_Init(&hdma_adc);

    // 关联 DMA 到 ADC
    __HAL_LINKDMA(&hadc1, DMA_Handle, hdma_adc);

    // 配置双缓冲，先使用 bufferA
    HAL_DMAEx_MultiBufferStart(&hdma_adc, (uint32_t)&ADC1->DR, (uint32_t)bufferA, (uint32_t)bufferB, BUFFER_SIZE);
}

4. 配置 MDMA

MDMA 用于将已满的缓冲区搬运到目标区域（例如另一块内存或 SDRAM）。这里以搬运到 destBuffer 为例，并开启传输完成中断：

MDMA_HandleTypeDef hmdma;

void MDMA_Init(void) {
    __HAL_RCC_MDMA_CLK_ENABLE();
    hmdma.Instance = MDMA_Channel0;
    hmdma.Init.Request = MDMA_REQUEST_DMA2_Stream0_TC;
    hmdma.Init.TransferTriggerMode = MDMA_BLOCK_TRANSFER;
    hmdma.Init.Priority = MDMA_PRIORITY_HIGH;
    hmdma.Init.Endianness = MDMA_LITTLE_ENDIANNESS;
    hmdma.Init.SourceInc = MDMA_SRC_INC_WORD;
    hmdma.Init.DestinationInc = MDMA_DEST_INC_WORD;
    hmdma.Init.SourceDataSize = MDMA_SRC_DATASIZE_HALFWORD;
    hmdma.Init.DestDataSize = MDMA_DEST_DATASIZE_HALFWORD;
    hmdma.Init.DataAlignment = MDMA_DATAALIGN_PACKENABLE;
    hmdma.Init.BufferTransferLength = BUFFER_SIZE;
    HAL_MDMA_Init(&hmdma);

    // 配置 MDMA 目标地址，源地址在中断中动态设置
    HAL_MDMA_Start(&hmdma, (uint32_t)bufferA, (uint32_t)destBuffer, BUFFER_SIZE);
}

5. 中断处理与时序对齐

关键在于 DMA 的传输完成中断中，根据当前使用的缓冲区（通过 hdma_adc.Instance->CR & DMA_SxCR_CT 判断）来设置 MDMA 的源地址，并启动 MDMA。同时，确保 MDMA 在下一个 DMA 缓冲区切换前完成搬运。

void DMA2_Stream0_IRQHandler(void) {
    HAL_DMA_IRQHandler(&hdma_adc);
}

void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
    // 判断当前 DMA 使用的缓冲区
    uint32_t currentBuffer = (hdma_adc.Instance->CR & DMA_SxCR_CT) ? (uint32_t)bufferB : (uint32_t)bufferA;
    // 设置 MDMA 源地址为当前已满的缓冲区
    HAL_MDMA_Start(&hmdma, currentBuffer, (uint32_t)destBuffer, BUFFER_SIZE);
    // 可选：启动 MDMA 中断，以便处理搬运完成后的数据
}

注意：HAL_ADC_ConvCpltCallback 在 DMA 传输完成一半或全部时调用（取决于 DMA_IT_HT 和 DMA_IT_TC 配置）。为了时序对齐，应使用传输完成中断（TC），并确保 MDMA 优先级高于 DMA，以便立即响应。

完整代码示例

以下是一个简化但完整的初始化序列，整合了上述步骤：

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    ADC_Init();
    DMA_Init();
    MDMA_Init();

    // 启动 ADC 并开启 DMA 传输
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)bufferA, BUFFER_SIZE);

    while (1) {
        // 主循环无需干预，数据自动搬运
    }
}

注意事项

缓冲区大小与采样率匹配：若采样率过高，MDMA 搬运时间可能超过 DMA 填充时间，导致数据覆盖。建议通过计算或实测调整缓冲区大小。
中断优先级：MDMA 中断应设置为最高优先级，确保在 DMA 切换瞬间抢占处理。
内存对齐：MDMA 要求源和目标地址按数据宽度对齐，建议使用 __attribute__((aligned(4))) 声明缓冲区。
调试技巧：使用逻辑分析仪或调试器观察缓冲区切换时序，验证是否出现数据撕裂。
功耗考虑：零 CPU 干预意味着 CPU 可进入低功耗模式，但需确保 MDMA 和 DMA 时钟保持开启。

结语

通过 MDMA 与 DMA 双缓冲的巧妙配合，STM32H7 实现了 ADC 连续采样的零 CPU 干预，极大提升了系统吞吐量。本文的时序对齐技巧确保了数据完整性，为高速数据采集系统提供了可靠方案。开发者可根据实际需求扩展至多通道或更复杂的数据处理流程。

STM32H7 双缓冲零干预：MDMA 与 DMA 协同实现 ADC 连续采样的时序对齐技巧