中国电子技术网

设为首页 网站地图 加入收藏

 
 

玩转单片机的重要功能 - DMA ,你的MCU编程设计有可能成为卷王!

关键词:单片机 DMA MCU编程设计

时间:2023-12-08 10:51:17      来源:DigiKey

直接存储器访问(DMA)控制器,可以在内存和/或外设之间传输数据,而不需要CPU参与每次传输。合理利用DMA控制器,可以减轻CPU的负担。本文通过介绍DMA结构与工作原理,以及两种模式(兵乓模式与多数据包缓冲传输模式),来看看使用DMA如何提高MCU效率。

作者:Alan Yang

直接存储器访问(DMA)控制器,可以在内存和/或外设之间传输数据,而不需要CPU参与每次传输。合理利用DMA控制器,可以减轻CPU的负担。本文通过介绍DMA结构与工作原理,以及两种模式(兵乓模式与多数据包缓冲传输模式),来看看使用DMA如何提高MCU效率。

DMA结构与工作原理

先进的DMA控制器,如STMicroelectronics的STM32F4系列中包含的控制器,可以通过灵活的数据流分配和传输管理功能进一步减轻CPU的负担。

如图左侧所示,来自8个不同的通道DMA请求,并到仲裁器上,从而建立优先级(编号较低的输入通道,具有较高的优先级)。然后激活最高优先级的传输,传输到图中右侧的两个AHB 主设备(存储器端口和外设接口),提高了外设到存储器传输的效率。这可能是DMA在基于CPU的设计中最常见的情况。


图 1 STM32F4系列DMA控制器(图片来源于STMicroelectronics)

为每个路径分配单独的FIFO,如图1中间所示,允许针对每个外设接口的特性调整FIFO特性。例如,FIFO的阈值级别(请求传输的深度)可以单独设置为FIFO大小的¼,½或¾。这允许低速通道等待,直到FIFO几乎满了才进行传输,以最小化开销。更快的通道会更早地启动传输,可能只有一半大小,以避免FIFO溢出。

我们来通过一个实例,来看看DMA怎么工作的。

实例:“使用 STM32 来控制 NeoPixels LED”

硬件部分采用STM32 开发板,与 NeoPixel LED、灯带、矩阵等相连接。

RGB NeoPixels实际上是WS2812智能控制LED。下面是WS2812 LED的3字节数据协议的结构,分别代表绿红蓝三个信息。


图 2 WS2812 LED的3字节数据协议的结构

使用计时器来PWM控制波形,然后配置DMA使CPU高效并且易于实施。


图 3 WS2812 LED的0和1位的计时图

在软件中,配置DMA, 选择了“TIM2_CH3/UP”, 将方向改为“内存到外设”, 同时,将优先级改为“非常高”,最后保存.ioc 文件,以生成项目代码。


图 4 配置DMA流,以便有效更新PWM信号的占空比

更多内容请看下面文章:使用 STM32 来控制 NeoPixels

DMA的两种模式

合理使用两种DMA模式(兵乓模式与多数据包缓冲传输模式),可以帮助提高MCU效率。

USB外设是一个很好的外设示例,早期的USB实现的最大吞吐量只有1.5 Mb/秒。随着更高性能的标准版本的出现。比如要接近12 Mbit/s全速USB标准的理论最大值。我们来看看,数据传输方面DMA如何帮助提高MCU效率!

我们以Microchip的ATXMEGA16D4-MH举例。

兵乓模式:

之前通常使用单个存储器缓冲区进行外设数据传输。如果数据缓冲区已满,MCU将响应NAK(否定确认)消息。接收到NAK后,主机将等待并稍后重试传输。它将继续重试,直到MCU能够成功接收数据。

ATXMEGA16D4-MH使用乒乓模式来消除这个问题。乒乓模式使用两个存储单元(memory banks)进行数据传输。当一个存储单元满时,主机可以将数据传输到另一个存储单元。在两个存储单元之间交替传输可以避免复审,并提高整体数据带宽。


图 5 乒乓模式提高了效率(图片来源于Microchip)

此外,如上图所示,以乒乓模式还使MCU有更多时间来处理数据。如图所示,没有乒乓,CPU只能处理传输之间的数据。使用乒乓模式,CPU可以在传输周期的一部分时间内处理数据,并降低NAK被要求“赶上”数据处理要求的可能性。

多数据包缓冲传输模式

另一个很有用的模式,可以让MCU的数据传输更高效。这个特性叫做“多数据包缓冲传输模式”。如果你要通过USB端口传送的数据包,超过了全速USB的BULK传输模式所允许的最大值(64字节),那么就可以用上这个模式。以前,你需要在主机上把数据包分成小块,然后在接收端把它们合并,这会增加中央处理器(CPU)的负担。不过现在,多数据包缓冲功能加入了USB设备,它会在数据包超过USB标准大小时自动帮你分割和合并数据。重要的是,这个模式还能减少中断的次数,因为只有在整个传输结束后才需要中断CPU。这意味着,CPU可以处理其他任务,或者进入休眠模式,直到整个传输完成并且准备好处理。

总结:

合理利用DMA控制器,可以减轻减轻CPU的负担,事半功倍。结合“乒乓缓冲”和“多传输模式”,你可以把传输的带宽从基准BULK传输模式的5.6 Mb/s提升到8.7 Mbits/s,这是一个不小的提升。更重要的是,在使用这两个功能的情况下,CPU的负担从基准的46%降低到只有9%。这两个功能的结合,不仅在性能上有所改进,而且还能节省能源。

  • 分享到:

 

猜你喜欢

  • 主 题:BridgeSwitch-2电机驱动器IC:助力冰箱压缩机逆变器效率超98%,待机功耗低于10mW
  • 时 间:2024.08.13
  • 公 司:PowerInt

  • 主 题:Abracon为工业自动化提供被动元器件方案
  • 时 间:2024.08.20
  • 公 司:Abracon