STM32H7 MDMA与定时器联动：实现外设到内存零拷贝传输的配置细节

引言

在高速数据采集或通信系统中，传统DMA（如DMA1/DMA2）受限于传输长度和通道数量，且无法直接访问所有存储器。STM32H7引入的MDMA（Master DMA）支持8/16/32位数据宽度、突发传输、链表模式，并能通过硬件触发（如定时器事件）启动传输，实现真正的外设到内存零拷贝。本文以ADC连续采样为例，演示如何配置MDMA与定时器联动，将外设数据直接搬运到SRAM，全程无需CPU干预。

原理概述

MDMA与DMA的区别

• DMA：仅能访问部分总线，传输长度受限于FIFO（通常≤65535字节），且触发源有限。
• MDMA：作为系统总线主设备，可访问所有存储器（包括DTCM、AXI SRAM），支持无限传输长度，支持链表和循环模式，触发源可来自软件、外部事件或定时器。

定时器触发机制

STM32H7的定时器（如TIM1/TIM2）可产生更新事件或比较事件，通过硬件连接（如DMA请求映射）直接触发MDMA。MDMA的请求信号由定时器事件产生，无需CPU配置中断，实现周期性自动搬运。

零拷贝实现

数据从外设（如ADC数据寄存器）通过MDMA直接写入内存缓冲区，不经过CPU或中间缓存，且传输完成后可自动循环，保证数据连续性。

硬件准备

• STM32H743 Nucleo-144板（或类似）
• 外部信号源（如信号发生器）连接到ADC输入引脚（如PA3）
• 调试器（ST-Link）

软件配置步骤

1. 时钟配置

使用CubeMX或直接寄存器配置，确保MDMA和定时器时钟使能。在HAL中，MDMA时钟由AHB3总线提供，定时器由APB1/APB2提供。

__HAL_RCC_MDMA_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
__HAL_RCC_ADC12_CLK_ENABLE();

2. MDMA配置

MDMA通道配置需指定源地址（外设寄存器）、目标地址（内存缓冲区）、数据宽度、突发大小等。关键参数：

• MDMA_InitTypeDef：设置传输方向（外设到内存）、数据宽度（如32位）、突发大小（如4）
• 使能循环模式（MDMA_CIRCULAR_MODE）以持续传输

MDMA_HandleTypeDef hmdma;

void MDMA_Init(void) {
    hmdma.Instance = MDMA_Channel0;
    hmdma.Init.Request = MDMA_REQUEST_TIM2_TRIG; // 定时器2触发
    hmdma.Init.TransferTriggerMode = MDMA_BUFFER_TRANSFER; // 缓冲传输
    hmdma.Init.Priority = MDMA_PRIORITY_HIGH;
    hmdma.Init.TransferEventMode = MDMA_TC_INTERRUPT; // 传输完成中断（可选）
    hmdma.Init.SourceInc = MDMA_SRC_INC_FIX; // 外设地址固定
    hmdma.Init.DestInc = MDMA_DEST_INC_WORD; // 内存地址递增
    hmdma.Init.SourceDataSize = MDMA_SRC_DATASIZE_WORD;
    hmdma.Init.DestDataSize = MDMA_DEST_DATASIZE_WORD;
    hmdma.Init.SourceBurst = MDMA_SOURCE_BURST_4BEATS;
    hmdma.Init.DestBurst = MDMA_DEST_BURST_4BEATS;
    hmdma.Init.DataAlignment = MDMA_DATAALIGN_PACK;
    hmdma.Init.BufferTransferLength = 128; // 每次传输128个字
    HAL_MDMA_Init(&hmdma);
}

3. 定时器配置

定时器需产生周期性的触发事件，频率由采样率决定。配置TIM2为PWM模式或更新事件，并设置预分频和自动重载值。

TIM_HandleTypeDef htim2;

void TIM2_Init(uint32_t freq) {
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 100-1; // 假设时钟100MHz，预分频100
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = (1000000 / freq) - 1; // 1MHz时钟下
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
    // 使能更新事件触发MDMA
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig);
}

4. 外设（ADC）配置

ADC需配置为连续转换模式，并开启DMA请求（但实际由MDMA触发）。注意：ADC的DMA请求信号需连接到MDMA的请求线，这通过硬件互连矩阵实现，通常无需软件配置。

ADC_HandleTypeDef hadc1;

void ADC1_Init(void) {
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T2_TRGO; // 定时器2触发
    hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_RISING;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
    // 配置通道
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_3;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_8CYCLES_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

5. 内存缓冲区定义

缓冲区需放置在MDMA可访问的内存区域，如AXI SRAM或D2域SRAM。使用__attribute__((section(".ARM.__at_0x24000000")))指定地址。

#define BUFFER_SIZE 128
uint32_t adc_buffer[BUFFER_SIZE] __attribute__((section(".ARM.__at_0x24000000")));

6. 启动传输

初始化完成后，启动定时器和ADC，MDMA自动等待触发。

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MDMA_Init();
    TIM2_Init(1000); // 1kHz采样率
    ADC1_Init();
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
    // 主循环不做任何事，数据自动搬运
    while(1) {
        // 可处理缓冲区数据，但注意双缓冲避免冲突
    }
}

完整代码示例

以下为整合后的关键代码（省略时钟配置等基础部分）：

// main.c
#include "main.h"

MDMA_HandleTypeDef hmdma;
TIM_HandleTypeDef htim2;
ADC_HandleTypeDef hadc1;

#define BUFFER_SIZE 128
uint32_t adc_buffer[BUFFER_SIZE] __attribute__((section(".ARM.__at_0x24000000")));

void Error_Handler(void) { while(1); }

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    // 使能时钟
    __HAL_RCC_MDMA_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_ADC12_CLK_ENABLE();
    
    // 初始化MDMA
    hmdma.Instance = MDMA_Channel0;
    hmdma.Init.Request = MDMA_REQUEST_TIM2_TRIG;
    hmdma.Init.TransferTriggerMode = MDMA_BUFFER_TRANSFER;
    hmdma.Init.Priority = MDMA_PRIORITY_HIGH;
    hmdma.Init.TransferEventMode = MDMA_TC_INTERRUPT;
    hmdma.Init.SourceInc = MDMA_SRC_INC_FIX;
    hmdma.Init.DestInc = MDMA_DEST_INC_WORD;
    hmdma.Init.SourceDataSize = MDMA_SRC_DATASIZE_WORD;
    hmdma.Init.DestDataSize = MDMA_DEST_DATASIZE_WORD;
    hmdma.Init.SourceBurst = MDMA_SOURCE_BURST_4BEATS;
    hmdma.Init.DestBurst = MDMA_DEST_BURST_4BEATS;
    hmdma.Init.DataAlignment = MDMA_DATAALIGN_PACK;
    hmdma.Init.BufferTransferLength = BUFFER_SIZE;
    if (HAL_MDMA_Init(&hmdma) != HAL_OK) Error_Handler();
    
    // 配置TIM2触发
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 100-1;
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 999; // 1kHz
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK) Error_Handler();
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
    sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_UPDATE;
    sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
    HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig);
    
    // 配置ADC
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ClockPrescaler = ADC_CLOCK_SYNC_PCLK_DIV4;
    hadc1.Init.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
    hadc1.Init.ScanConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_EXTERNALTRIGCONV_T2_TRGO;
    hadc1.Init.ExternalTrigConvEdge = ADC_EXTERNALTRIGCONVEDGE_RISING;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK) Error_Handler();
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_3;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_8CYCLES_5;
    if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK) Error_Handler();
    
    // 启动
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
    
    while(1) {
        // 主循环可处理数据，但注意缓冲区访问同步
    }
}

注意事项

• 内存一致性：MDMA与CPU访问同一缓冲区时，需使用__DSB()或SCB_CleanDCache()等确保缓存一致性，尤其在带Cache的SRAM区域。
• 触发源映射：不同定时器触发MDMA的请求线不同，需查阅参考手册的互连矩阵，确保MDMA_REQUEST_TIM2_TRIG正确。
• 缓冲区大小：MDMA的BufferTransferLength最大为65535，若需更大，使用链表模式。
• 中断处理：若启用传输完成中断，在回调中需及时处理数据，避免覆盖。建议使用双缓冲。
• 调试技巧：使用逻辑分析仪或调试器观察MDMA传输是否触发，若未触发，检查定时器是否使能、ADC是否启动。

总结

通过MDMA与定时器联动，STM32H7可高效实现外设到内存的零拷贝传输，极大降低CPU占用。本文详细介绍了配置流程和关键代码，开发者可在此基础上扩展至多通道、链表等高级应用。掌握此技术，将显著提升嵌入式系统的数据吞吐能力。