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嵌入式系统|DMA和SPI

news 2025/12/25 15:53:22

文章目录

- - DMA（直接内存访问）
  - - DMA底层原理
    - - 1. 关键组件
      - 2. 工作机制
      - 3. DMA传输模式
  - SPI（串行外设接口）
  - - SPI的基本原理
    - SPI连接示例
  - DMA与SPI的共同作用

DMA（直接内存访问）

类型：DMA是一种数据传输接口。
功能：允许外设与内存之间直接进行数据传输，而无需CPU的干预。DMA控制器可以在数据传输过程中管理数据流。
用途：用于提高数据传输效率，减少CPU负担，适用于大数据量传输和实时数据处理。

DMA底层原理

DMA（直接内存访问）是一种高效的数据传输机制，允许外设直接与内存进行数据交换，而不需要CPU的干预。以下是DMA的底层原理的详细说明，包括关键组件、信号流程和工作机制。

1. 关键组件

DMA控制器：负责管理DMA操作的硬件组件。可以是独立的DMA芯片或集成在微控制器中的模块。
系统总线：用于数据传输的通道，包括地址总线、数据总线和控制总线。
外设：如传感器、通信接口等需要与内存进行数据交换的设备。
内存：存储数据的地方，DMA用于读写数据。
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2. 工作机制

2.1 配置阶段
初始化设置：CPU配置DMA控制器的参数，包括源地址、目标地址、数据长度、传输方向等信息。这些设置通常在内存中设置控制寄存器。

2.2 请求阶段
外设请求：当外设准备好数据时，它向DMA控制器发送请求信号，通常通过一种称为“请求线”的信号。

2.3 响应阶段
DMA控制器响应：DMA控制器在接收到外设请求后，发出“总线请求”信号，请求控制系统总线。
总线仲裁：如果CPU正在使用总线，DMA控制器将等待，直到CPU释放总线。某些系统采用优先级机制，决定哪个组件可以使用总线。

2.4 数据传输阶段
控制总线：一旦获得总线控制权，DMA控制器将设置地址总线以指向源或目标地址。
数据传输：DMA控制器通过数据总线从外设读取数据或将数据写入外设。数据传输可以是字节、字或块的形式。
地址递增：如果传输多个数据，DMA控制器会根据数据长度自动递增源和目标地址。

2.5 完成阶段
传输完成：数据传输完成后，DMA控制器会向外设和CPU发送完成信号，通常通过中断或标志寄存器。
重新释放总线：DMA控制器释放总线，恢复CPU对总线的控制。

3. DMA传输模式

Burst Mode（突发模式）：DMA控制器在获得总线控制权后，传输一块数据，然后释放总线。适合大块数据传输。
Cycle Stealing Mode（循环盗用模式）：DMA控制器与CPU交替使用总线，传输一小块数据后让CPU使用总线。适合实时应用。
Transparent Mode（透明模式）：DMA控制器在CPU不使用总线时进行数据传输，完全透明，适合低优先级的数据传输。

优势与应用
优势：减少CPU负担，提高系统吞吐量。提高数据传输效率，尤其是在大数据量和实时应用中。
应用场景：音频/视频流处理。数据采集系统。网络数据传输。

SPI（串行外设接口）

类型：SPI是一种通信接口。
功能：用于微控制器与外部设备（如传感器、内存、显示器等）之间的串行数据传输。SPI是一种全双工通信协议，通常包括主设备和从设备。
用途：用于短距离、高速的数据传输，广泛应用于各种嵌入式系统中。

SPI的基本原理

主从架构：SPI是一个主从协议，通常由一个主设备（MCU）和一个或多个从设备（如TDC）组成。主设备控制通信，生成时钟信号，并启动数据传输。
全双工通信：SPI支持全双工通信，允许同时发送和接收数据。这意味着在一个时钟周期内，主设备可以发送数据到从设备的同时，从设备也可以发送数据回主设备。

SPI连接示例

信号线：
MOSI（主输出从输入）：从MCU发送到TDC的数据线。
MISO（主输入从输出）：从TDC发送到MCU的数据线。
SCK（时钟信号）：由MCU生成的时钟信号，控制数据传输的时序。
SS（从设备选择）：MCU用来选择特定从设备的信号线。

DMA与SPI的共同作用

DMA（直接内存访问）和SPI（串行外设接口）可以结合使用，以提高数据传输的效率，尤其在需要频繁读取或写入数据的应用场景中。以下是它们如何协同工作的详细说明：

工作原理
DMA配置：在使用DMA与SPI时，首先需要配置DMA控制器。用户需要设定源地址（SPI的数据寄存器）、目标地址（内存位置）、数据长度和传输方向（读取或写入）。
SPI数据传输：SPI作为主设备，控制数据的时钟信号和数据传输。当SPI准备好发送或接收数据时，它会将数据放入数据寄存器。
DMA触发：一旦SPI准备好数据，DMA控制器可以被配置为在SPI数据寄存器可用时自动触发数据传输。这通常通过中断或DMA请求信号实现。
数据传输流程
初始化：CPU配置SPI和DMA的相关参数，包括波特率、数据格式、DMA通道等。
启动DMA：CPU启动DMA传输，DMA控制器开始监听SPI的数据寄存器。
数据传输：当SPI发送或接收数据时，DMA控制器自动将数据从SPI数据寄存器读取到内存，或从内存写入SPI数据寄存器。
中断通知：数据传输完成后，DMA控制器可以生成中断，通知CPU处理后续逻辑，比如数据处理或状态更新。
优势
减少CPU负担：使用DMA可以让CPU在数据传输期间继续执行其他任务，提高系统效率。
提高数据传输速度：DMA能够以更快的速度转移数据，尤其在处理大量数据时。
实时数据处理：适合需要快速响应和处理的应用，如音频信号处理、传感器数据采集等。
应用场景
音频数据传输：在音频应用中，DMA可以用来快速读取或写入音频数据。
传感器数据采集：使用DMA从SPI传感器快速读取数据，减少延迟。
图像传输：在图像处理应用中，DMA可以高效地传输从SPI摄像头获取的图像数据。