STM32H7中的DMA

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1. 概述

       STM32H7相比其他系列性能有着不小的提升，同时结构也有了较大的变化。这些变化如果不加注意则会影响DMA等功能的使用。本文通过对STM32H7的Bus Matrix及Cache/MPU两方面尝试分析不同点及对应的解决方案。

2.硬件平台

       本文中使用的硬件是STM32H750开发板，属于STM32H7 Value Line产品线，代码位于QSPI Flash中，通过XIP方式执行。

3. STM32H7的总线结构和访问规则

       STM32H7拥有三个不同的Bus Matrix，分别为D1，D2与D3。

  • D1区域为AXI  Interconnect Matrix，与CPU通过AXI总线相连，高速外设如Flash，QSPI，FMC等通过此AXI Bus连接到CPU，速度最快。
  • D2区域为AHB Multi-layer Bus Matrix，连接了大部分低速外设及另一部分SRAM，通过CPU的AHBP接口连接到CPU，速度其次。
  • D3区域为另一个AHB Bus Matrix，与前两个区域不同的是，它不与CPU直接连接，而是通过D2区域的一个AHB Master连接到D3区域。D3区域速度最慢，同时也连接了一部分低功耗外设，速度最慢。

三个区域的时钟及门控可独立控制，以实现低功耗与高性能间的平衡。

在H7的架构中，部分高速外设通过AXI总线连接到Master，相比只有Flash存储器连接到AXI接口的F7系列，外设访问速度也有了提升。

STM32H7的总线互联架构

从上图我们可以发现以下访问规律：

  • D1区域的Bus Master可以通过D1-to-D2 AHB bus访问D2域的地址范围，也可以通过D2-to-D3 AHB bus访问D3的地址范围。
  • D2区域的Bus Master可以通过D2-to-D3 AHB bus访问D3域的地址范围，也可以通过D2-to-D1 AHB bus反向访问D1域的地址范围。
  • D3区域没有连接到其他区域的Bus Master，因此只能访问D3区域的地址范围。

总结一下就是：

D1与D2中的Bus Master可以互访对方Slave， D3中的Master不能访问D1与D2 Slave。

4. STM32H7中的DMA与存储器

STM32H7中有三种不同的DMA，分别为MDMA，DMA（DMA1/DMA2）以及BDMA，其特点如下所示：

  • MDMA可以通过AXI Interconnect的接口访问D1域，同时能通过专用的AHBS接口访问CPU中的I/DTCM存储器，速度最高。
  • DMA1/2位于D2域中，通过AHB接口访问D2域。由于D2域存在着连接到D1域的通路，因此DMA1/2依然可以访问D1域中的存储器及外设。
  • BDMA则位于D3域中，仅可以访问D3SRAM及对应的D3域外设，同时功能上也相对有限。

相似的，STM32H7中的存储器也分为了以下几种：

  • AXI SRAM（D1_RAM)，QUADSPI，FMC，Flash：这些存储器连接到AXI Interconnect，可被能访问D1域的Bus Master访问。
  • AHB SRAM1/2 ：这些存储器连接到D2域 AHB Bus Matrix，可被能访问D2域的Bus Master访问。
  • AHB SRAM3：这些存储器连接到D3域 AHB Bus Matrix，可被能访问D3域的Bus Master访问。
  • 特殊的，位于CPU内部的I/DTCM（指令/数据紧耦合存储器）在可被CPU访问的同时也可通过专用接口被MDMA访问。

由此，我们可以得出以下几点规则：

MDMA能访问包含TCM在内的所有存储器（几乎和CPU范围类似），DMA1/2不能访问TCM，BDMA仅可访问AHB SRAM3以及D3域外设。
特别需要注意的是，这些规则不仅应用于DMA控制器，同时也适用于其他Bus Master，如DMA2D，LTDC，Ethernet，SDMMC，USB等等拥有内部DMA的外设，使用时同样要保证用户buffer位于可访问区域内。

5. 关于L1 Cache及MPU

Cortex-M7相比于其他核心，增加了单独的L1 I/D Cache，为了保证DMA访问的内存不出现一致性问题，需要通过配置MPU的方式控制指定区域的缓存策略。

Cortex-M7的MPU通过Region的形式定义访问规则，这里通过STM32CubeMX的配置工具提供简单的缓存配置示例。

CubeMX的MPU配置界面

MPU的配置最好按照粒度从粗到细的顺序配置，示例中的默认配置是禁用缓存，允许全部访问，在QSPI Flash区域启用读缓存，并允许指令访问及共享。

6. 代码实现

在默认的Linker Script中，数据代码被放置在了DTCM中，如果想要通过DMA访问这部分数据，我们就只能通过MDMA访问，或者修改LDS使得数据放置在AXI SRAM或者AHB SRAM中。以下的修改可以将用户的buffer放置在D2域SRAM中：

  _SI_D2SRAM = LOADADDR(.d2_sram);
  .d2_sram :
  {
    . = ALIGN(4);
    _DMA_Buffer_Start = .;
    *(.d2_sram_buffer)
    . = ALIGN(4);
    _DMA_Buffer_End = .;
  } >RAM_D2 AT> FLASH /* Note: Not actually init, we need to copy manually before use */

然后我们即可初始化这部分数据：

    uint32_t bytes_to_copy = &_DMA_Buffer_End - &_DMA_Buffer_Start;
    if(bytes_to_copy != 0) {
        memcpy((void *)&_DMA_Buffer_Start, (void *)&_SI_D2SRAM, bytes_to_copy);
    }

之后通过DMA1或DMA2即可正确实现DMA传输。