从 DREQ 到制止：RP2040 DMA 的 “快递系统” 全解析

DMA

内核的本职是 “运算、处理使命”，如果让它手动搬数据（好比从传感器读数据存到内存），会浪费算力（搬数据时没法干别的）；而 DMA 是 “专职搬运工具”，能高效完成批量传输，让内核可以去处理其他使命，甚至进入低功耗休眠，既提升效率又节省电量。
DMA 直接存储器存取控制器与总线结构有单独的读和写主连接，并可以代替处理器实行批量数据传输。这使得处理器可以自由地处理其他使命，或进入低功耗睡眠状态。
DMA 单独读写最多可以操控 32 位数据，具有 12 个独立的通道，每个通道都监督一系列总线传输。
DMA 通常用于以下三种情况的数据传输：

• ​内存到外设：​当必要更多数据时，外设向 DMA 发出信号。DMA 从 RAM 或 flash 中的数组中读取数据，并写入外围设备的数据 FIFO；
  
• ​外设到内存：​当一个外围设备在接收到外部的传感器/通讯接口的数据时，它就会向 DMA 发出信号。DMA 从外围设备的数据 FIFO 中读取这些数据，并将其写入 RAM 中的一个数组；
  
• ​内存到内存：​DMA 在 RAM 中的两个缓冲区之间传输数据。
  
  
  
  图 2.17 RP2040 DMA 控制器架构框图
  架构图是 DMA 的 “内部工作流程”，每个模块的作用如下：
  
• ​AHB-lite Read/Write Master 总线：​是 DMA 连接到系统总线（AHB-lite）的 “接口：
  
  
  
  • Read Master：负责从系统（内存 / 外设）读数据；
    
  • Write Master：负责向系统（内存 / 外设）写数据。
    
  
  
• ​Read/Write Address FIFO：​FIFO 是 “先进先出的缓冲区”，这里存的是要读取 / 写入的地址（好比从内存的 0x20000000 开始传输，地址会存在这里）。它可以地址请求，制止地址生成和数据传输 “节奏不匹配” 导致卡顿。
  
• ​Transfer Data FIFO：​它存的是正在传输的数据，同样是缓冲作用，让 “地址请求” 和 “数据搬运” 的节奏对齐，保证传输流畅。
  
• ​Address Generator：​DMA 的 “地址自动计算器”：好比要从内存的 0x20000000 开始，连续传 100 个字节，它会自动生成 0x20000000、0x20000001… 这些连续地址，不用内核手动算地址。
  
• ​Control/Status Registers：​是 DMA 的控制中心 + 状态表现器：
  
  
  
  • 控制：软件通过这里配置 DMA（好比传输方向是 “外设 → 内存” 还是 “内存 → 外设”、数据大小是 8/16/32 位、要传多少数据）；
    
  • 状态：软件可以在这里查看传输进度（好比传了多少、有没有传完、有没有堕落）。
    
  
  
• ​AHB-lite Slave Interface：​是 “内核配置 DMA 的入口”：内核通过这个接口，向 Control/Status Registers 写入配置参数，告诉 DMA“要搬什么数据、怎么搬”。
  

接下来，我们以 “外设 → 内存” 传输（好比传感器数据存到内存）为例：

• 内核通过​AHB-lite Slave Interface​，给 Control/Status Registers 写配置（好比源地址是传感器的 FIFO 地址、目标地址是内存数组地址、传输长度是 100 字节）；
  
• Address Generator 自动生成要读取的外设地址、要写入的内存地址，分别存到 Read Address FIFO、Write Address FIFO；
  
• AHB-lite Read Master 从外设读数据，放到 Transfer Data FIFO 缓冲；
  
• AHB-lite Write Master 从 Transfer Data FIFO 取数据，写到内存的目标地址；
  

整个过程中，内核不用参与，完全由 DMA 自动完成。
DMA的每个通道都有对应状态寄存器，软件可以通过它来编程和监控该通道数据读写的进度。 我们把每个 DMA 通道想象成一个独立的快递小哥，而状态寄存器就是这个小哥的 “使命清单 + 工作日志本”：

• ​ 编程（写寄存器） ​：你（软件）在小哥出发前，把使命写在日志本上 —— 好比 “从内存的 A 位置搬 100 个数据到 UART 外设”“搬数据时要听 UART 的 DREQ 信号指挥”，这就是给 DMA 通道配置使命；
  
• ​监控进度（读寄存器）：小哥干活时，会实时在日志本上记录进度 ——“已搬了 50 个数据”“使命完成”“搬数据时堕落了”，你（软件）随时看日志本，就能知道这个 DMA 通道的工作状态，不用一直盯着它干活。
  

DMA 传输数据的大小可以是 32、16 或 8 位。每个通道配置一次：源传输大小和目标传输大小相同：

• 这是规定了 DMA “搬数据的打包方式”——DMA 每次搬数据时，可选择搬​1 个字节（8 位）、2 个字节（16 位）或 4 个字节（32 位）（相当于快递小哥一次搬 1 个包裹、2 个包裹或 4 个包裹）；
  
• ​源和目标大小必须相同​：意思是 “从哪里搬” 和 “搬到哪里去” 的打包方式要一致 —— 不能从内存里一次搬 4 个字节（32 位），却往外设里一次只写 1 个字节（8 位），否则会出现数据庞杂（就像小哥一次抱 4 个包裹，却只能往快递柜里塞 1 个，剩下的会掉地上）；
  
• ​每个通道配置一次​：一个 DMA 通道一旦定了用 32 位传输，那这次使命全程都用 32 位，不用中途改；要换方式的话，得重新配置这个通道。
  

DMA 不同通道之间可以相互组合，例如一个通道可以配置另一个通道，从内存中的一系列控制块加载配置数据，然后当必要重新配置时，第二个通道可以通过 CHAIN_TO 选项调用到第一通道：

• 这是 DMA 通道的 “接力干活” 或 “互相配合” 功能，让多个 DMA 通道能协同完成复杂使命，不用软件（内核）中途插手；
  
• 假设你有两个 DMA 通道，通道 1 是 “配置员”，通道 2 是 “搬运工”：
  
  
  
  • 你先在内存里存好​多套搬运使命的配置​（好比 “使命 1：搬 100 个 32 位数据到 UART0”“使命 2：搬 200 个 8 位数据到 SPI0”“使命 3：把内存 A 的数据复制到内存 B”），这些配置叫 “控制块”。
    
  • 你给通道 2 配置初始使命：“先找通道 1，让它从内存里读第一套控制块（使命 1），然后按这个控制块干活”。
    
  • 当通道 2 完成使命 1 后，不必要软件（内核）来重新配置，它可以通过​CHAIN_TO 选项​（相当于 “呼唤接力”），让通道 1 再从内存里读第二套控制块（使命 2），然后通道 2 继承干使命 2；以此类推，直到所有控制块的使命都完成。
    
  
  

同时 DMA 也可以和其他外设配合使用，外设和 DMA 直接通过 DREQs 通道传输，所谓 DREQ，就是外设给 DMA 发的“暗号”，告诉 DMA“我准备好收 / 发数据了，你可以开始传了”：

• 好比 UART 要发数据时：当 UART 的发送 FIFO 空了，它会发 DREQ 信号给 DMA，DMA 收到后就把内存里的数据传到 UART 的 FIFO；
  
• 好比 UART 要收数据时：当 UART 的接收 FIFO 满了，它发 DREQ 给 DMA，DMA 就把 FIFO 里的数据取到内存。
  

不同外设和 DREQ 通道对应关系可以查看 DREQ 表，它是“外设功能 →DREQ 通道” 的对应清单，每个 DREQ 编号对应一个外设的收 / 发功能：

图 2.18 RP2040 外设 DREQ 通道与 DMA 映射表
以上表为例，我们可以看到：

• DREQ20 对应 “UART0_TX”（UART0 的发送请求）；
  
• DREQ17 对应 “SPI0_RX”（SPI0 的接收请求）。
  

DMA 也可以和制止配合使用，当 DMA 中某个通道数据读写完成后可以触发制止，使得步伐进行对应操作（好比数据传完了，内核去分析这些数据）：

• 咱们把 DMA 通道比作​负责不同搬运使命的快递小哥​，内核就是公司里的 “老板”；
  
  
  
  • 之前说过，小哥干活的时间，老板可以摸鱼（处理其他使命）或者睡觉（低功耗休眠），不用盯着小哥；
    
  • 当小哥把一批数据搬完了（好比把传感器的 100 个数据全存到内存里了），他不能直接跑去找老板 —— 而是会按一个 “紧急呼唤铃”，这个​呼唤铃就是制止​；
    
  • 老板听到铃响，就知道 “某个小哥的活干完了”，然后放下手里的事，去做后续工作（好比分析刚搬来的传感器数据、把数据再传给 U 盘、清空内存准备下一次搬运）。
    
  
  
• 简单说，​DMA 完成使命后触发制止，是给内核发 “完工关照”，让内核能及时处理后续使命，不用一直轮询 “DMA 干完没？干完没？”，既省了内核的精力，又保证了使命的及时性。
  

RP2040 DMA 提供了两个系统 IRQs，具有独立的掩蔽和状态寄存器（例如，INTE0、INTE1）。任何通道制止请求的组合都可以被路由到任何一个系统 IRQ：

• 先解释这段话里的关键名词，再用例子串起来：
  
  
  
  • ​系统 IRQs​：可以理解成公司里的​两个 “总客服热线”（IRQ0 和 IRQ1，对应 INTE0、INTE1），所有 DMA 小哥的 “完工关照”（制止请求），都要通过这两个热线打给老板（内核）。
    
  • ​掩蔽寄存器​：“掩蔽” 就是 “屏蔽、静音” 的意思，这个寄存器相当于热线的 “静音开关”—— 好比你可以设置 “让小哥 1 的关照打不进热线 0”，或者 “让热线 1 暂时静音，所有关照都走热线 0”，制止不重要的关照打扰老板。
    
  • ​状态寄存器​：相当于热线的 “来电记录本”，里面会记着 “是小哥 3 的关照打进来了”“小哥 7 的使命完工了”，老板看到记录本，就知道该处理哪个小哥的后续使命。
    
  • ​路由​：就是 “分配、定向” 的意思 —— 你可以任意安排哪个小哥的关照走哪个热线。
    
  
  
• RP2040 的 DMA 有 12 个通道（12 个小哥），但只留了 2 个客服热线（两个系统 IRQs）。你可以这样配置：
  
  
  
  • 把​小哥 1（传感器数据搬运）、小哥 2（UART 数据传输）的关照，都路由到热线 0（INTE0）​；
    
  • 把​小哥 3（内存复制）、小哥 4（SPI 数据传输）的关照，都路由到热线 1（INTE1）​；
    
  • 甚至可以把所有小哥的关照都路由到同一个热线，或者让某几个小哥的关照同时走两个热线；
    
  • 如果你觉得小哥 3 的使命不重要，还能通过掩蔽寄存器，把小哥 3 的关照屏蔽掉，他就算完工了，也打不进热线，老板不会收到他的关照。
    
  
  
• 这种设计的好处是：​机动管理多个 DMA 通道的制止，制止制止信号杂乱，同时让内核可以按热线的优先级处理不同范例的 DMA 使命​（好比把紧急的使命路由到优先级高的热线）。