嵌入式数据处理快递站--探索FIFO与DMA

一起学嵌入式 2023-04-27 07:50

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在单片机或者是嵌入式编程中，通常软件和硬件是紧密相连的。编程者需要同时拥有硬件思维和软件技巧，才能使程序更高效、更稳定的运行在嵌入式系统中。

在机器人系统中，各个模块间的通信就像人的神经，往往需要很高带宽与实时性，借助DMA和FIFO能够极大程度的发挥出外设的性能。

本文将介绍使用FIFO和DMA搭配的方式，并且详细介绍其运作的原理。

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▌本文所述FIFO都是软件FIFO，不包括部分DMA控制器中自带的FIFO功能。

FIFO

FIFO是“先进先出”的缩写，是一种常用的数据结构和算法。它是一种队列（Queue）的实现方式，即先进入队列的数据项先被处理，后进入队列的数据项则后被处理。

环形队列是一种特殊的FIFO数据结构，其中队列被表示为一个环形结构。在环形队列中，队列的头部和尾部被视为相邻的元素，因此当尾部元素到达队列的末尾时，它会回到队列的开头。这样，队列看起来像一个环，因此称为环形队列。

环形队列可以使用数组实现，但需要特殊处理插入和删除元素的操作，以确保它们在队列头部和尾部之间循环。

FIFO可以用于缓存数据，当输入数据的速度超过处理的速度时，FIFO可以作为一个缓冲区，暂时存储多余的数据，以平滑数据的输入和输出速度。另外，当需要频繁地访问内存或外设时，FIFO可以作为一个临时缓存区，将数据暂时存储在队列中，以减少对内存或外设的频繁访问，提高系统的效率。

DMA

DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）。常规情况下，我们对外设的操作都是由CPU直接处理，但面向与一些低速的传输手段，如：IIC、UART、SPI，为了保证时序，使用CPU操作寄存器的方法去处理无疑浪费了大量的运算时间。

而DMA的出现，可以使数据可以在主存储器和外设之间自动传输，而不需要CPU的干预。这可以使CPU在数据传输期间执行其他任务，提高整个系统的效率。

如上图所示两条通道中，CPU只需要和DMA进行一些指令通信，DMA就能替CPU完成对外设到内存的数据搬运。

▌DMA也可完成内存到内存等多种方式的通信，不同的厂商的芯片通常会有一些专用的DMA控制器例如：DMA2D、MDMA等，但本质都是对内存的直接访问。

传输过程

DMA的传输大致分为如下三个步骤：

预处理：由CPU完成一些必要的准备工作。首先，CPU执行几条I/O指令，用以测试I/O设备状态，向DMA控制器的有关寄存器置初值，设置传送方向、启动该设备等。然后，CPU继续执行原来的程序，直到I/O设备准备好发送的数据(输入情况)或接受的数据(输出情况)时，I/O设备向DMA控制器发送DMA请求，再由DMA控制器向CPU发送总线请求(统称为DMA请求)，用以传输数据。

数据传送：DMA的数据传输可以以单字节(或字)为基本单位，对于以数据块为单位的传送，DMA占用总线后的数据输入和输出操作都是通过循环来实现。需要特别之处的是，这一循环也是由DMA控制器(而不是通过CPU执行程序)实现的，即数据传送阶段是完全由DMA(硬件)来控制的。

后处理：DMA控制器向CPU发送中断请求，CPU执行中断服务程序做DMA结束处理，包括检验送入主存的数据是否正确，测试传送过程中是否出错(错误则转入诊断程序)和决定是否继续使用DMA传送其他数据块等。

由此可以看出，整个过程中，CPU只需要介入预处理和后处理的少量指令环节。在一些特殊情况下，例如ADC数据的DMA传输，只需要在初始化时进行配置，DMA设置为循环模式，后续的过程完全不需要CPU介入，极大的节约了CPU时间。

快递员与快递站

在实际生活中，我们随处可见DMA和FIFO的身影，为了能更加方便的理解DMA和FIFO的作用，我们可以用快递员和快递站来做比喻：

FIFO（先进先出队列）是一个快递站，快递员将快递按照到达时间顺序放在一个队列中，当需要发货时，按照队列顺序一个一个地取出快递进行发货，保证了快递的顺序性。快递站如果太小，如果收发快递数量太多，快递站就会爆满堵塞，快递丢失。如果快递站过大，则占用过多土地，得不偿失。
DMA（直接内存访问）是一名任劳任怨的快递员，他可以直接到发货地点取出快递并将其送到目的地，中间的驿站可以视为内存或者缓存。在这个过程中，快递员可以不停歇地工作，而不需要等待驿站的确认，同时也不需要用户的干预，可以大大提高快递的效率和速度。
DATA（数据），数据则是快递，快递的尺寸数量要考虑快递员的能力，不能过大过多。

无论是现实还是嵌入式系统，人和内核不可能时时刻刻都带等待快递和数据。数据的处理和接收并不一定是同时进行的，内核对数据的等待造成了系统的阻塞，但数据的不及时处理会造成了数据的丢包，以上两个原因促使了DMA和FIFO的相互补充使用。

更高的效率

以上用具体的例子比喻了DMA和FIFO的应用场景，实际应用也当如此。以下会介绍详细的使用方法和具体的应用场景，同时开发者也要认清，并不是所有的场景都适合使用DMA，使用时要考虑实际的稳定性和必要性。

应用场景

下面将列举几种场景，分别是DMA与软件FIFO配合、DMA以及不适合DMA场景的应用。

▌DMA-FIFO

DMA-FIFO最适合数据量大、不定长的数据包的场景，典型应用为串口通信，无论是串口的接收还是发送，使用DMA-FIFO都能极大的增加芯片的运行效率，且在绝大多数情况下都能提高串口外设的性能。

PWM、GPIO操作算是DMA应用中一个比较冷门的应用，使用DMA操作此类外设，能零堵塞、高时序精度去实现W2812全彩灯、DSHOT协议等功能。

▌DMA

单用DMA适合数据量大、定长、定周期的场景，典型应用为SPI-LCD数据传输、摄像头DCMI传输、ADC传输、内存-内存传输，此类传输特点大多数为大块数据周期性传输，传输速度要求高，数据量比较大。

例如在摄像头数据的传输过程中，摄像头数据固定以30FPS进行传输，配合DMA的双缓存功能能很好的实现数据的传输与处理同时进行，此外像DMA2D这种专用的图像显示DMA也是相同的道理。

▌不适用场景

虽然DMA在许多情况下可以提高数据传输的效率和速度，但并不是所有情况都适合使用DMA。下面是一些不适合使用DMA的场合：

数据一致性场合：DMA传输过程中不需要CPU干预，所以实际上CPU并不知道内存中数据发生了变动，尤其是在启用了cache的情况下，数据一致性问题就变得尤其严重。例如一些加密、解密、固件写入等场合，对数据一致性要求较高、需要实时校验，不建议使用DMA传输。
时序一致性场合：DMA也不适合对于数据包时序要求严格的场合，例如在SPI写入LCD数据指令前，需要先写入控制指令并操作DC引脚，在这种情况下，如果不能将传输与中断的逻辑进行妥善处理，则会造成严重的数据冲突，所以SPI-LCD屏一般只有在数据阶段采用DMA传输。还有在初始化阶段，程序对于效率速度的要求不高，但时序与稳定性要求较高的时候，不建议使用DMA传输。
数据传输量较小：由于DMA传输存在预处理和后处理阶段，例如仅传输几个字节的数据，那么使用DMA可能不会带来很大的性能提升。相反CPU可能需要反复进入中断进行处理，增加了额外的复杂性和成本。