STM32H7 零等待日志：MDMA 与双 Bank Flash 并行搬运实战

一、为什么需要零等待日志？

在嵌入式系统中，日志记录是调试与数据追溯的关键。传统方式下，CPU 直接写 Flash，每次擦写需等待数十毫秒，导致实时任务被阻塞。STM32H7 系列（如 H743/H750）内置双 Bank Flash（各 1MB），支持同时读写不同 Bank，配合 MDMA（Master DMA）可让数据在内存与 Flash 间异步传输，CPU 仅需发起请求，彻底解放处理能力。

二、核心原理：双 Bank 与 MDMA 协同

1. 双 Bank Flash 架构

  • STM32H7 Flash 分为 Bank1 和 Bank2，各自独立擦写单元。
  • 当 CPU 或 DMA 访问 Bank1 时，Bank2 可同时进行擦除/编程操作，反之亦然。
  • 利用此特性，日志写入可交替使用两个 Bank，避免单 Bank 擦写期间的等待。

2. MDMA 的作用

  • MDMA 是高级 DMA，支持内存到内存、外设到内存等传输，且可链接列表（Linked List）。
  • 它能在后台将 RAM 中的日志缓冲区搬运至 Flash 编程接口（如 FLASH_CR），无需 CPU 干预。
  • 通过中断或标志通知 CPU 传输完成，实现异步日志。

3. 并行搬运策略

  • 设计双缓冲区：CPU 写日志到 Buffer A，MDMA 将 Buffer B 数据写入 Flash Bank1；同时 Flash Bank2 预擦除，准备下一次写入。
  • 交替使用 Bank1/Bank2，实现“写-擦-写”流水线，消除擦除等待。

三、硬件与软件准备

  • 硬件：STM32H743 开发板（双 Bank Flash），外部晶振 25MHz。
  • 软件：STM32CubeIDE 1.13+，HAL 库（F7 系列支持 H7）。
  • 关键外设：MDMA、FLASH、GPIO（用于指示）。

四、配置步骤（基于 CubeMX）

  1. 时钟配置：启用 HSE，主频 400MHz，AHB 分频确保 MDMA 时钟。
  2. MDMA 配置：
    • 在 Connectivity 中选择 MDMA，添加通道。
    • 设置源地址（RAM 缓冲区）、目标地址（Flash 编程寄存器）。
    • 传输模式：内存到内存，数据宽度 32 位，突发传输。
    • 启用中断（传输完成）。
  3. Flash 配置：
    • 在 Memory 中启用双 Bank 模式（默认开启）。
    • 设置编程延迟（等待状态），根据主频调整。
  4. 生成代码：CubeMX 自动生成初始化函数。

五、代码实现

以下为关键代码片段，完整工程可参考文末链接。

/* 日志缓冲区定义 */
#define LOG_BUF_SIZE 1024
uint32_t log_buf_A[LOG_BUF_SIZE/4];
uint32_t log_buf_B[LOG_BUF_SIZE/4];
volatile uint8_t active_buf = 0; // 当前 CPU 写入的缓冲区

/* MDMA 句柄 */
MDMA_HandleTypeDef hmdma_log;

/* Flash 编程地址（示例：Bank1 起始） */
#define FLASH_LOG_ADDR 0x08020000  // 根据实际调整

/* 初始化 MDMA */
void MDMA_Log_Init(void) {
    hmdma_log.Instance = MDMA_Channel0;
    hmdma_log.Init.Request = MDMA_REQUEST_MEM2MEM;
    hmdma_log.Init.TransferTriggerMode = MDMA_BUFFER_TRANSFER;
    hmdma_log.Init.Priority = MDMA_PRIORITY_HIGH;
    hmdma_log.Init.Endianness = MDMA_LITTLE_ENDIANNESS;
    hmdma_log.Init.SourceInc = MDMA_SRC_INC_WORD;
    hmdma_log.Init.DestInc = MDMA_DEST_INC_WORD;
    hmdma_log.Init.SourceDataSize = MDMA_SRC_DATASIZE_WORD;
    hmdma_log.Init.DestDataSize = MDMA_DEST_DATASIZE_WORD;
    hmdma_log.Init.DataAlignment = MDMA_DATAALIGN_PACKET;
    hmdma_log.Init.BufferTransferLength = LOG_BUF_SIZE/4;
    hmdma_log.Init.SourceBurst = MDMA_SOURCE_BURST_4BEATS;
    hmdma_log.Init.DestBurst = MDMA_DEST_BURST_4BEATS;
    hmdma_log.Init.SourceBlockAddressOffset = 0;
    hmdma_log.Init.DestBlockAddressOffset = 0;
    HAL_MDMA_Init(&hmdma_log);
    
    /* 配置中断 */
    HAL_NVIC_SetPriority(MDMA_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(MDMA_IRQn);
}

/* 启动一次 MDMA 传输：将指定缓冲区写入 Flash */
void MDMA_Log_Write(uint32_t *src, uint32_t dest, uint32_t size) {
    /* 等待 MDMA 空闲 */
    while (HAL_MDMA_GetState(&hmdma_log) != HAL_MDMA_STATE_READY);
    
    /* 配置源和目标地址 */
    hmdma_log.Init.SourceAddress = (uint32_t)src;
    hmdma_log.Init.DestAddress = dest;
    hmdma_log.Init.BufferTransferLength = size/4;
    
    /* 启动传输 */
    HAL_MDMA_Start_IT(&hmdma_log, (uint32_t)src, dest, size/4);
}

/* MDMA 传输完成回调 */
void HAL_MDMA_IRQHandler(MDMA_HandleTypeDef *hmdma) {
    if (hmdma == &hmdma_log) {
        HAL_MDMA_IRQHandler(hmdma);
        // 传输完成，切换缓冲区
        active_buf ^= 1;
        // 可在此处触发下一次预擦除
    }
}

/* 日志写入函数（CPU 调用） */
void Log_Write(uint32_t *data, uint32_t len) {
    uint32_t *cur_buf = (active_buf == 0) ? log_buf_A : log_buf_B;
    // 将数据复制到当前缓冲区（简单示例，实际可用环形队列）
    memcpy(cur_buf, data, len);
    
    // 启动 MDMA 写入当前缓冲区到 Flash（目标地址根据 active_buf 选择 Bank）
    uint32_t dest = (active_buf == 0) ? FLASH_LOG_ADDR : FLASH_LOG_ADDR + 0x100000; // Bank2 偏移
    MDMA_Log_Write(cur_buf, dest, len);
    
    // 同时预擦除另一个 Bank 的对应区域（需在后台执行，此处简化）
    // 实际应使用 FLASH 中断或定时器触发擦除
}

/* 主函数示例 */
int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MDMA_Log_Init();
    
    // 预擦除 Bank1 和 Bank2 的日志区域
    FLASH_Erase_InitTypeDef erase;
    erase.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_SECTORS;
    erase.Banks = FLASH_BANK_1;
    erase.Sector = 12; // 示例扇区
    erase.NbSectors = 1;
    erase.VoltageRange = FLASH_VOLTAGE_RANGE_3;
    HAL_FLASHEx_Erase(&erase, &error);
    
    // 主循环
    while (1) {
        // 模拟日志产生
        uint32_t log_data[64];
        for (int i=0; i<64; i++) log_data[i] = HAL_GetTick() + i;
        Log_Write(log_data, sizeof(log_data));
        HAL_Delay(100); // 模拟其他任务
    }
}

六、时序优化与注意事项

  • Flash 编程电压：确保 VOS 和电压范围匹配，否则擦写失败。
  • MDMA 优先级：设置高优先级，避免被其他 DMA 抢占导致延迟。
  • 缓冲区对齐：MDMA 要求源和目标地址按字对齐，建议使用 __attribute__((aligned(4)))。
  • 擦除操作：预擦除应在 MDMA 传输期间进行，但需确保不访问同一 Bank。建议使用定时器中断或后台任务。
  • 错误处理：检查 MDMA 传输错误标志，如 HAL_MDMA_GetError()。
  • 功耗：MDMA 和 Flash 同时工作会增加功耗，低功耗场景需权衡。

七、总结

通过 MDMA 与双 Bank Flash 的配合，STM32H7 实现了日志的零等待写入，CPU 利用率大幅提升。本方案可扩展至数据采集、故障记录等场景。实际应用中需根据 Flash 擦写时间调整缓冲区大小和预擦除策略，以达到最优性能。

（完整工程代码可访问 GitHub 示例仓库）