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RVMCU课堂「18」: 手把手教你玩转RVSTAR—DMA数据传输篇

发表于 2021-06-04 12:05:30
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​在之前的内容里,我们使用过UART、SPI、I2C等接口进行过数据传输,在处理通信数据时,几乎都是在主程序或中断服务程序中进行数据的转存,这样耗费了大量的CPU时间。幸运的是,微控制器的设计者也考虑到这个问题,设计出了DMA(Direct Memory Access,直接存储器访问)传输功能,使得数据可以从一个地址空间复制到另一个地址空间,而不经过CPU,从而让CPU专注在其他功能上。本期内容我们以UARTDMA传输为例,简单介绍DMA的应用方法。

系统环境

Windows 10-64bit

软件平台

NucleiStudio IDE 202102版
或 PlatformIO IDE
CoolTer

硬件需求

RV-STAR开发板

TTL-USB串口转换





DMA(直接内存访问)原理





DMA,全称Direct Memory Access,即直接存储器访问。DMA传输将数据从一个地址空间复制到另外一个地址空间。传输动作的初始化由CPU完成,而传输动作本身由DMA控制器来实行。典型的例子就是移动一个外部内存的区块到芯片内部更快的内存区。DMA的方式并没有让处理器工作拖延,反而可以去处理其他的工作。DMA对于高效能嵌入式系统算法和网络传输是很重要的。

在实现DMA传输时,是由DMA控制器直接掌管总线,因此,存在着一个总线控制权转移问题。即DMA传输前,CPU要把总线控制权交给DMA控制器,而在结束DMA传输后,DMA控制器应立即把总线控制权再交回给CPU。一个完整的DMA传输过程必须经过DMA请求、DMA响应、DMA传输、DMA结束4个步骤。




GD32VF103的DMA控制器


GD32VF103的DMA控制器有12个通道(DMA0有7个通道,DMA1有5个通道)。每个通道都是专门用来处理一个或多个外设的存储器访问请求的。DMA控制器内部实现了一个仲裁器,用来仲裁多个DMA请求的优先级。

DMA控制器和RISC-V内核共享系统总线,当DMA和CPU访问同样的地址空间时,DMA访问可能会阻挡CPU访问系统总线几个总线周期。总线矩阵中实现了循环仲裁算法来分配DMA与CPU的访问权,它可以确保CPU得到至少一半的系统总线带宽。



主要特征如下:

  • 传输数据长度可编程配置,最大到65536

  • 12个通道,并且每个通道都可配置(DMA0有7个通道,DMA1有5个通道)

  • AHB和APB外设,片上闪存和SRAM都可以作为访问的源端和目的端

  • 每个通道连接固定的硬件DMA请求

  • 支持软件优先级(低、中、高、极高)和硬件优先级(通道号越低,优先级越高)

  • 存储器和外设的数据传输宽度可配置:字节,半字,字

  • 存储器和外设的数据传输支持固定寻址和增量式寻址

  • 支持循环传输模式

  • 支持外设到存储器,存储器到外设,存储器到存储器的数据传输

  • 每个通道有3种类型的事件标志和独立的中断

  • 支持中断的使能和清除




实验部分


原理部分已经介绍过,DMA的工作过程比较简单,开发起来也比较容易,用户只需要结合数据手册,明确微控制器DMA通道和外设间对应关系,明确DMA的源地址、目的地址、数据宽度等信息,在开发时对DMA控制器和外设进行相应的使能和配置即可。

由于RV-STAR的USB串口(UART4)不支持DMA功能,本次的实验使用UART3进行:首先使用串口的DMA发送功能,让数据不经CPU直接从内存(txbuffer)传输到串口的发送端,然后使用串口的DMA接收功能接收10个字节的数据,保存到rxbuffer中,最后在主循环中(使用CPU)将rxbuffer接收到的数据再通过串口发送出去。


#include "nuclei_sdk_hal.h"

uint8_t rxbuffer[10];
uint8_t txbuffer[] = "\nUART DMA receive and transmit example, please input 10 bytes:\n";
#define ARRAYNUM(arr_name) (uint32_t)(sizeof(arr_name) / sizeof(*(arr_name)))

void uart_init();
void uart_send(int ch);

int main()
{
    dma_parameter_struct dma_init_struct;
    /* enable DMA1 */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_DMA1);
    /* initialize UART3 */
    uart_init();

    /* deinitialize DMA Channel4(UART3_TX) */
    dma_deinit(DMA1, DMA_CH4);
    dma_init_struct.direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPHERAL;
    dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)txbuffer;
    dma_init_struct.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE;
    dma_init_struct.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_8BIT;
    dma_init_struct.number = ARRAYNUM(txbuffer) - 1;
    dma_init_struct.periph_addr = (uint32_t)&USART_DATA(UART3);
    dma_init_struct.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE;
    dma_init_struct.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_8BIT;
    dma_init_struct.priority = DMA_PRIORITY_ULTRA_HIGH;
    dma_init(DMA1, DMA_CH4, &dma_init_struct);
    /* configure DMA mode */
    dma_circulation_disable(DMA1, DMA_CH4);
    /* enable DMA channel3 */
    dma_channel_enable(DMA1, DMA_CH4);

    /* USART DMA enable for transmission and reception */
    usart_dma_transmit_config(UART3, USART_DENT_ENABLE);
    usart_dma_receive_config(UART3, USART_DENR_ENABLE);

    /* wait DMA Channel transfer complete */
    while (RESET == dma_flag_get(DMA1, DMA_CH4, DMA_FLAG_FTF));
    while (1) {
        /* deinitialize DMA1 Channel2 (UART3_RX) */
        dma_deinit(DMA1, DMA_CH2);
        dma_init_struct.direction = DMA_PERIPHERAL_TO_MEMORY;
        dma_init_struct.memory_addr = (uint32_t)rxbuffer;
        dma_init_struct.memory_inc = DMA_MEMORY_INCREASE_ENABLE;
        dma_init_struct.memory_width = DMA_MEMORY_WIDTH_8BIT;
        dma_init_struct.number = 10;
        dma_init_struct.periph_addr = (uint32_t)&USART_DATA(UART3);
        dma_init_struct.periph_inc = DMA_PERIPH_INCREASE_DISABLE;
        dma_init_struct.periph_width = DMA_PERIPHERAL_WIDTH_8BIT;
        dma_init_struct.priority = DMA_PRIORITY_ULTRA_HIGH;
        dma_init(DMA1, DMA_CH2, &dma_init_struct);
        /* configure DMA mode */
        dma_circulation_disable(DMA1, DMA_CH2);
        /* enable DMA channel4 */
        dma_channel_enable(DMA1, DMA_CH2);

        /* wait DMA channel transfer complete */
        while (RESET == dma_flag_get(DMA1, DMA_CH2, DMA_FLAG_FTF));

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            uart_send(rxbuffer[i]);
        }
        uart_send('\n');
    }
}


代码结构比较清晰,读者们可以自行阅读消化(包含uart_init()和uart_send()实现的完整代码工程,参考文末附带链接)。

代码编写完成后,需要编译并上传到开发板,然后需要使用一个类似下图所示的TTL-USB串口转换器,将RV-STAR的UART3串口通过它连接到电脑上,其中:UART3_TX(PC10)连接到转换器的RX引脚上,UART3_RX(PC11)连接到转换器的TX引脚上,然后连接两个开发板的GND地线即可。




连接完成后,发现设备管理器上除了RV-STAR的默认串口(UART4)外,增加了一个端口,然后使用CoolTerm串口工具连接这个串口,按下RV-STAR上的复位键,发现终端中打印出了从txbuffer经DMA传输到UART发送端的数据。




然后使用CoolTerm的发送字符串功能,一次性发送10个字节的数据,发现终端上返回了刚刚发送的10字节数据,说明数据从串口输入经DMA存入到内存(rxbuffer)又被正常发送到了串口,实验完成。



PS:本次实验源码:https://github.com/Nuclei-Software/nuclei-board-labs/tree/master/rvstar/dma/dma_ram_uart

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