STM32中采用DMA實(shí)現(xiàn)方波的產(chǎn)生和捕獲

1 STM32微控制器介紹
    STM32系列微控制器是ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核的高集成度的微控制器。它在性能、價(jià)格、功耗和實(shí)時(shí)性方面樹立了一個(gè)新的標(biāo)桿，集成了Cortex-M3內(nèi)核，以及雙ADC、多用途的通用時(shí)鐘TIMx、RTC、I2C、SPI、UART、CAN、DMA、USB等豐富的外設(shè)。其功耗在全速72MHz所有模塊都打開時(shí)也僅僅為36 mA，在低功耗模式下其功耗僅為2μA。

2 DMA和TIMx簡介
    STM32系列微控制器均含有DMA和通用時(shí)鐘TIMx模塊。其低端型號(hào)中僅包含DMA1，支持7個(gè)通道；高端型號(hào)還包括DMA2，支持5個(gè)通道。它的每個(gè)通道可任意指定工作模式，如內(nèi)存到內(nèi)存、內(nèi)存到外設(shè)或外設(shè)到內(nèi)存等。當(dāng)涉及到外設(shè)時(shí)，一般是由外設(shè)來觸發(fā)DMA的一次傳輸，如串口收到數(shù)據(jù)的標(biāo)志位可觸發(fā)DMA。
    DMA的每次傳輸都分為4個(gè)階段：申請(qǐng)仲裁、地址計(jì)算、總線存取和應(yīng)答。除總線存取階段，其他3個(gè)階段都只需要一個(gè)系統(tǒng)周期，并且不占用總線，可在DMA控制器內(nèi)部并發(fā)地執(zhí)行?？偩€存取階段，每個(gè)字(4字節(jié))的傳輸需要3個(gè)系統(tǒng)周期。DMA和CPU工作在交替方式下，不會(huì)相互阻塞。DMA各個(gè)通道可獨(dú)立設(shè)置優(yōu)先級(jí)，當(dāng)訪問同一資源時(shí)高優(yōu)先級(jí)通道先獲得資源。
    DMA的使用比較簡單，每路DMA僅包括4個(gè)寄存器，用于指定DMA的工作模式、源地址、目標(biāo)地址和傳輸次數(shù)。ST公司提供了很好的驅(qū)動(dòng)庫，簡化了外設(shè)的使用，方便閱讀和移植。本文采用庫函數(shù)來展示功能。
    其通用時(shí)鐘是很有特色的外圍模塊，可實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的功能。時(shí)鐘模塊內(nèi)部主要包含一個(gè)計(jì)數(shù)器和4個(gè)通道的比較／捕獲寄存器。時(shí)鐘可工作在捕獲或比較模式。在捕獲模式下，若有對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)，計(jì)數(shù)器的值會(huì)保存到比較／捕獲寄存器，并觸發(fā)中斷或DMA；在比較模式下，若計(jì)數(shù)器的值與比較／捕獲寄存器的值相等，則對(duì)外輸出預(yù)選設(shè)定好的信號(hào)，如高電平、低電平或電平反轉(zhuǎn)等。

3 采用DMA+TIMx實(shí)現(xiàn)多路方波的產(chǎn)生
    采用時(shí)鐘的4個(gè)比較／捕獲通道加DMA可以產(chǎn)生出4路不同頻率和占空比的方波。這里為簡化篇幅，只列出了產(chǎn)生一路方波的代碼?；驹硎牵簩r(shí)鐘的4個(gè)通道設(shè)置為反轉(zhuǎn)模式(即計(jì)數(shù)器與比較捕獲寄存器相等時(shí)，其對(duì)應(yīng)的CPU引腳電平發(fā)生反轉(zhuǎn))，設(shè)置計(jì)數(shù)器為向上計(jì)數(shù)到0xFFFF的模式；然后預(yù)先計(jì)算好需要引腳反轉(zhuǎn)的時(shí)刻，并使能對(duì)應(yīng)通道的DMA請(qǐng)求。這樣，當(dāng)計(jì)數(shù)器與比較／捕獲寄存器的值相等時(shí)，由DMA將下一個(gè)需要引腳電平反轉(zhuǎn)的時(shí)刻送入到比較／捕獲寄存器。
    這里將DMA設(shè)置為從內(nèi)存到外設(shè)的半字(2個(gè)字節(jié))環(huán)形傳輸。開啟DMA全滿和半滿中斷，在中斷處理函數(shù)中不斷填充新的時(shí)刻值，即可保證產(chǎn)生的波形不間斷。假設(shè)存放時(shí)刻值的緩沖長度為N，則每N／2個(gè)點(diǎn)才中斷一次，這樣CPU就不需要頻繁進(jìn)入中斷，執(zhí)行效率比較高。由此也可以看出，緩沖越大，對(duì)中斷響應(yīng)的實(shí)時(shí)性要求也越低，當(dāng)然這時(shí)中斷的處理時(shí)間也越長。以下為示例代碼：
   
   
    需要注意的是，比較／捕獲寄存器的預(yù)加載功能必須禁止掉。我們需要的是寫入比較／捕獲寄存器的值立即與計(jì)數(shù)器相比較輸出，而無需等待一個(gè)更新事件。

4 采用DMA+TIMx實(shí)現(xiàn)多路方波的捕獲
    假設(shè)有一個(gè)方波需要記錄并分析。一種方案是設(shè)置CPU引腳在上升沿和下降沿中斷，然后在中斷中記錄該時(shí)刻。這種處理方式的實(shí)時(shí)性和效率會(huì)差一些，因?yàn)檫M(jìn)出中斷本身就需要一定的指令周期(Cortex-M3為12+12或6+12個(gè)系統(tǒng)周期)，而且需要考慮多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生的最壞情況，對(duì)可檢測(cè)方波的最大頻率有一定的限制。另一種方案是采用輪詢的方式不斷查詢?cè)撘_的狀態(tài)并記錄上升沿和下降沿的時(shí)刻，這種方式下系統(tǒng)幾乎不能處理其他的任務(wù)了。
    采用DMA+TIMx的方式來捕獲上升沿和下降沿時(shí)刻，有利于提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和執(zhí)行效率。通過TIMx的捕獲功能將方波的電平跳變時(shí)刻記錄在比較／捕獲寄存器中，然后DMA將該值自動(dòng)傳輸?shù)絻?nèi)存，只有當(dāng)DMA觸發(fā)半滿或全滿事件時(shí)CPU才需要進(jìn)入中斷處理數(shù)據(jù)。通過記錄方波的上升沿和下降沿時(shí)刻，然后將兩個(gè)時(shí)刻相減，進(jìn)而就能得到所有低沿和高沿的寬度，最后進(jìn)行后續(xù)的分析處理。這種方式下中斷頻率僅為方波頻率的4／N(N為緩沖區(qū)大小)。
    圖1為TIMx工作在捕獲模式下一個(gè)通道的示意圖。

    其中TI1為CPU引腳的輸入，經(jīng)過濾波(新的電平必須保持一定時(shí)間才認(rèn)為有效，以防止高頻噪聲的干擾)后進(jìn)入后繼的邊沿極性選擇，最后經(jīng)過分頻作為捕獲信號(hào)的輸入。這里TI2F為相鄰?fù)ǖ澜?jīng)過濾波后的信號(hào)，也就是說一個(gè)引腳的信號(hào)可作為TIMx兩個(gè)通道的輸入捕獲信號(hào)，這樣信號(hào)只需要接一個(gè)CPU引腳就可以觸發(fā)兩個(gè)時(shí)鐘通道了。
    將輸入方波接到CPU一個(gè)引腳上，假設(shè)該引腳對(duì)應(yīng)于圖上的TI1，設(shè)定其在下降沿觸發(fā)通道1的捕獲事件，而其在上升沿觸發(fā)通道2的捕獲事件，事件發(fā)生后申請(qǐng)DMA將捕獲的比較／捕獲寄存器的值保存起來。示例代碼如下：
   
    其他部分與第3節(jié)中比較輸出的代碼基本一致。

5 總結(jié)
    測(cè)試中STM32系列微控制器工作在36 MHz，可產(chǎn)生出1路最高1．5 MHz的方波，可捕獲1 MHz的方波，而此時(shí)CPU的執(zhí)行幾乎不受影響。這里采用DMA來實(shí)現(xiàn)方波的產(chǎn)生和捕獲，極大地提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和執(zhí)行效率，減少了中斷次數(shù)，節(jié)省了寶貴的資源。這種方案也可以用來實(shí)現(xiàn)高效的模擬串口。
    DMA的傳輸需要多個(gè)系統(tǒng)周期的，例如采用DMA實(shí)現(xiàn)內(nèi)存到內(nèi)存的搬移，每次傳輸需要5個(gè)系統(tǒng)周期，而內(nèi)存到外圍的一次傳輸需要2個(gè)APB周期+5個(gè)AHB周期。這樣用上述方法產(chǎn)生的方波最小沿(低沿或高沿)為14個(gè)周期(包括比較／捕獲寄存器到內(nèi)部影子寄存器的傳輸?shù)?。若有更高的需求，應(yīng)考慮其他的實(shí)現(xiàn)方案。另外，若有多個(gè)DMA同時(shí)工作，應(yīng)考慮最壞情況下DMA的響應(yīng)時(shí)間，以避免錯(cuò)誤發(fā)生。