YTM32的DMA控制器要点简析

引言

考虑到DMA是一个AHB Master设备，可以同处理器内核一样，主动向总线发起传输请求，将“小脏手”伸向各总线上挂载的各外设模块，因此，我更愿意把DMA看做是处理器核心服务的一部分，甚至把它当成一个小核或者协处理器都不为过。

DMA可以在CPU之外，捕获到触发信号后，自行搬运数据从指定地址到另一个指定地址，并且还可以根据预先的配置自动计算下一次搬运的地址。使用DMA可以有效地节约CPU处理海量数据传输的负载。可以想见，如果使用中断方式处理通过外设发送或者接收数据，CPU将会在频繁切换中断服务之间花费大量的时间。

另外，DMA从DMAMUX获取的触发源，能够实现的自动读写的操作，若是某些读操作或者写操作能够产生额外的触发事件，还可以传递触发，形成触发链，最终可实现一些完全不需要硬件干预的自动化任务。总之，DMA真心是一个功能丰富的模块。

本文将介绍YTM32平台上DMA的工作机制，对关键概念展开讲解。

简介

YTM32（以YTM32B1ME05为例）微控制器上集成的DMA控制器可以支持16个通道，并且搭配了一个多达128个选项的DMA MUX模块，可以对接任何一个通道。其中多个通道是复用同一个DMA控制器的，并且共用同一个数据搬运引擎。DMA MUX管理了可以触发DMA通道的硬件事件，每款芯片可能都不一样（YTM32B1MD14中的DMAMUX只有64个选项），在具体使用时，需要从具体的芯片手册中查表。

还需要特别注意的是，目前YTM32平台上的DMA尚未支持异步时钟模式，它使用core clock驱动，仅能在普通模式下工作，在休眠模式、深度休眠以及更低功耗的休眠模式下，均停止工作。

本DMA控制器通过多个通道的传输任务描述符（CTS）管理搬运数据的过程，并且还支持链接模式，即将多个传输任务描述符连链接在一起，形成传输任务链。

原理与机制

DMA控制器是一个AHB总线主机，但仍同普通的外设一样，作为一个APB总线从机，被配置成合适的工作模式。DMA控制器通过DMAMUX，可以直接收集来自片上其他外设模块发出的触发信号，进而触发DMA在地址空间搬运数据的过程。如图x所示。

图x DMA控制器的系统框图

需要注意的是，DMA的搬运过程是在地址空间内操作的，可以是从内存到内存，从外设到外设，在内存与外设之间等，对于DMA而言，只是搬数，至于数据映射到物理设备是外设还是内存，均由总线负责落实。

相对于有的DMA控制器将触发信号和搬运数据源头地址或目标地址绑定的设计，YTM32的DMA控制器将触发信号和搬运任务所使用的地址相互独立，例如，当某个定时器模块产生的触发信号触发了DMA的一个搬运数据的任务（通道），这个任务可以将ADC转换结果的数据搬运到内存中。这其中，定时器和ADC是没有直接关联的。

DMA通道的传输任务描述符

YTM32的DMA的各个通道，可以看做是各自独立的传输任务，每个任务都有自己的触发条件、对触发条件的响应方式、搬运数据的源地址和目的地址、搬运数据的带宽、搬运数据的数量、每次搬运完成后对搬运过程进行调整的策略等，如此看来，DMA控制器就是这些独立任务的调度器，当多个任务被同时触发时，以一定的调度策略安排他们依次运行。

DMA通道对应的这些独立的搬运任务，在DMA引擎的建模中，被称为CTS（DMA Channel Transfer Structure），其结构如图x所示。

图x DMA通道的传输任务描述符

这个结构的内容并不是以指针的方式存放在SRAM中，而是直接做在寄存器结构里，可以在DMA的寄存器清单中找到与之一一对映的寄存器。如图x所示。

图x CTS对应的每个通道各自下辖的一组寄存器

但CTS也可以存放在RAM中，若配置了DMA_CTS_CSR[RLDEN]=1，则在大循环完成后，直接从寄存器DMA_CTS_DTO（原来存放的是地址偏移量）存放的指针进行索引，搬运整个CTS结构体的内存覆写到CTS对应的寄存器中。

除此之外，只是借鉴CTS结构中相关的寄存器，去配置DMA传输任务的参数即可，不必受限于CTS的抽象数据结构。

DMA的触发信号

YTM32的DMA控制器为每个DMA搬运任务设计了两种触发方式：软件触发和硬件触发。其中，软件触发可由CPU直接向DMA控制器的寄存器写数（DMA_CTSn_CSR[START]），主动启动传输过程；硬件触发使用预设的硬件触发信号，当来自外设的硬件触发信号通过DMAMUX到来之时，自动启动DMA搬运任务开始搬数。DMA的每次触发，执行一次小循环的搬运过程，一个大循环可以包含多个小循环的，因此一个大循环的搬运任务可能会需要多次触发才能完成。（关于大小循环的概念，可见楼下）

1. 软件触发

DMA的软件触发是通过软件写各通道的寄存器位DMA_CTSn_CSR[START]，或者寄存器DMA_START中对应通道的控制位实现的，每写1次就发出一个触发信号。每次触发，执行一次小循环（one trigger loop）的搬运过程，TCNT寄存器中的计数器减1。

特别注意，软件触发是直接作用于DMA控制器的，不必配置DMAMUX的那个always_on的选项。但由此也可知，哪怕有可用的硬件触发通过DMAMUX输入到DMA控制器，软件触发也可以生效。相当于是，软件触发和DMAMUX导入的硬件触发信号相或，然后统一输入到DMA控制器。

2. 硬件触发

DMA的硬件触发信号来自于DMAMUX，而DMAMUX则可以从众多触发信号的源中选择其中一个适用于某个指定的通道（寄存器DMA_CHMUXn）。具体选项可在芯片手册中查阅，如图x所示。

图x 从手册中查阅DMAMUX选项

DMAMUX选中的触发信号，还需要经过一个REQEN的门控开关（寄存器DMA_REQEN中对应通道的控制位），才能顺利进入DMA引擎。因此，每次使用DMA开始传输之前，如果要使用外部的硬件触发源，必须确保打开这个门控开关。另外，每个DMA通道的传输描述符中的寄存器位DMA_CTS_CSR[DREQ]=1还可以控制在每个大循环传输完成之后，自动关闭这个门控开关。如果DMA_CTS_CSR[DREQ]=0，则这个门控开关在大循环传输完毕后仍会保持打开。

这里提到的硬件触发信号，是直接来自于外设的DMA触发信号，通常会伴随着这些外设的某些事件的发生，大多同时也可以触发中断。以LINFlexD为例，有对应的DMA触发信号的开关，如图x所示。

图x SPI外设模块的使能DMA请求控制位

DMA的大循环和小循环

一个最完整的DMA传输，可以包含多次触发，而每次触发，会引起连续地搬运一块数据（可以是连续的多个字节）。以此，完整的DMA搬运有大循环(Major Loop)和小循环(Minor Loop)的概念，大循环包含小循环。

YTM32的手册中使用了Transfer Loop和Trigger Loop的名字：

• Transfer loop means data transferred after one DMA channel trigger.
• Trigger loop means DMA channel could accept how many DMA channel triggers(include software and hardware trigger).

从手册的描述中可以获知，Transfer Loop描述的是一次触发（one trigger）执行的包含若干个transfer的搬运过程，而Trigger Loop可以包含多个触发（many triggers），对应大循环和小循环。如图x所示。

图x DMA搬数过程中的大循环和小循环

小循环搬运的字节数，由各DMA通道的BCNT寄存器指定，它本身也是一个递减计数器，每传输一个字节就减1，减到0时就停止搬运。

大循环的包含的小循环的次数（不是字节数，是对触发信号的计数），由各DMA通道的TCNT_KDDIS[TCNT]寄存器字段指定，它本身也是一个递减计数器，每执行一次小循环（触发）就减1，减到0时就停止。特别注意，此处的大循环管理的仅仅是触发，而不是传输内存块，如果使用多个传输任务描述符链接起来的传输任务描述链表，则每个任务描述符（可能在不同的地址块和传输模式搬运数据）都对应属于各自的触发次数（同一个通道的触发源仍为同一个）。

大循环执行一半和完毕时都有对应的标志位（DMA_CHTLHDIF和DMA_CHTLDIF），这里有个特别的设计，只有启用DMA传输通道的大循环半完成和全完成的中断时（DMA_CTS_CSR[THDINT]=1和DMA_CTS_CSR[TDINT]=1），这两个标志位才会置位，否则哪怕对应的事件到来，也不会被置位。但另一个传输完成标志位（DMA_DONE和DMA_CTS_CSR[DONE]），无论是否开启对应的中断（DMA_CTS_CSR[LOOPINT])，都能置位。这里就有一点小纠结了，如果同时启动了DMA_CTS_CSR[LOOPINT]和DMA_CTS_CSR[TDINT]=1，DMA_DONE和DMA_CHTLDIF所对应的行为将完全一样，那么在一个大循环完成后产生中断，其中的服务程序就需要同时清零这两个标志位。（这里的设计似乎有点冗余，有似乎缺了点什么。。。）

DMA搬运任务的地址更新策略

DMA外设设计了非常灵活的搬运地址更新策略，可以覆盖最大范围的应用场景。但需要整理清楚其中的概念和更新时机，才能玩转DMA，否则，一不小心产生了错误的参数配置状态，DMA也将会停止工作并报错（DMA_ERS）。

重申一次DMA搬数中的操作单元：

• 一次指定带宽的总线传输被称为一个搬运Transfer
• 一次触发可以发起一个或多个连续的Transfer，也可被称为Transfer Loop或者a loop of transfers，这也对应文中描述的小循环Minor Loop。
• 一组触发可以包含一个或者多个连续的Minor Loop，也可被称为Trigger Loop 或者a loop of triggers，这对应文中描述的大循环 Major Loop。

以数据源地址指针为例（数据目标地址指针相同）：

• 最初的数据地址存放在寄存器DMA_CSR_SADDR中。这个寄存器中的值也会随着DMA搬运过程的执行变化，始终指向即将要搬运数据的地址。
• 预先配置DMA_CTS_TCNT寄存器的值大于等于1，表示本次DMA传输任务至少包含1次触发产生的小循环。
• 一次触发将启动搬数过程。先从小循环走起。
• 每次总线传输搬运的数据长度（宽度），由寄存器DMA_CSR_TCR[SSIZE]配置，可以选择1 Byte、2 Byte、4 Byte，以及16 Byte和32 Byte，这也代表了DMA使用数据总线的数据带宽。每次搬运都是从当前的数据地址开始搬运带宽指定数量的字节数。搬运过后，不对当前搬运数据地址产生影响，指针保持不变。
• 每次搬运执行后，可以由软件指定一个地址偏移量，由寄存器DMA_CSR_SOFF配置，可以是正整数，也可以是负整数（地址向前跳）。这个偏移量是作用于当前搬运数据地址指针寄存器DMA_CSR_SADDR的，当搬运执行后，当前地址指针将会加上这个偏移量，更新成新的地址指针。
• 如果有多次传输，则多次传输会连续执行。DMA_CTS_BCNT寄存器预置了本次小循环的需要数据的总长度（以字节为单位），而不是地址范围（切记，地址有可能是不连续地跳跃）。DMA控制器内部会自动递减DMA_CTS_BCNT寄存器的数，但不会覆写到DMA_CTS_BCNT寄存器中，因为整个小循环的搬运过程是连续执行的，用户看不到中间状态。
• 当小循环完成后，可以有一个对源数据地址指针的偏移。然而，这里并没有设计。
• DMA_CTS_TCNT寄存器的值减1，并覆写到DMA_CTS_TCNT寄存器中。如果值仍大于0，则说明当前的大循环任务还没执行完，继续等下一个触发启动一次小循环。如果值被减到0，说明大循环任务完成，此时，DMA_DONE和DMA_CHTLDIF（若开放中断）都会置位，同时，DMA控制器还会更新两个计数值：
• 源数据指针在加上了最后一次搬运的偏移量（由寄存器DMA_CSR_SOFF配置）之后，还会立即继续叠加一个大循环完成地址偏移，由寄存器DMA_CSR_STO配置，这也是一个可正可负的整数。计算的结果会覆写到寄存器DMA_CSR_SADDR中。
• 将DMA_CTS_TCNTRV寄存器中预存的重载值覆写到DMA_CTS_TCNT寄存器中，以便于启动下次任务时无需重新配置这些计数器和地址指针。

说起来，个人觉得，如果设计小循环结束后有一个地址偏移，比实现大循环结束后的地址偏移更加直观一些。大循环专门管理触发（管理触发的递减和循环），小循环管理指针（地址的递减和递增等），分工相对更明确些。这里实现的大循环的一次性偏移，也可以等价实现为等分到每次小循环之后的地址偏移。

读者可以自行进行实验，观察DMA寄存器中各计数器的变化。

图x 利用Keil的寄存器调试界面调试

DMA控制器还支持Scatter Gather模式，将多个DMA传输任务串联在一起，可以实现地址不规则的连续传输。在地址增长模式上，还有个回环递增的模式可以用。可以在具体用到的时候再深究。手册上的描述比较简略，届时仍需要用户发挥主观能动性，大胆猜想多做尝试。

应用要点（软件）

• YTMicro SDK提供了dma外设的驱动程序，以及配合其他外设使用的样例工程，例如adc_dma、spi_slave_dma、spi_master_dma、sent_dma等。
• 在开源的arm-mcu-sdk仓库中，也收纳了ytm_dma驱动程序，以及对应的样例工程dma_basic。