【STM32】踩了个SPI与DMA的坑

0xAA55 · 发表于 2018-12-5 00:20:16

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我想写一个能被多个文件共享的异步SPI库，能同时驱动多个SPI设备进行通讯的玩意儿。
并且这些设备有的能工作在很高的波特率下，而有的则很十分缓慢——这个差距不是一点半点，而是36 MHz到10

0

KHz（SD卡初始化需求）之间的差距（3

60

倍）。在这种情况下使用阻塞式模型去等待传输完成再干别的，就会显得非常没有效率，尤其是你需要和一个低波特率的设备进行通讯的时候，干等的这段时间足以完成一些简单的小计算，比如与其它的UART设备通讯，或者进行ADC采样等（用于制作示波器等）。

我给我的SPI库同时封装了PIO和DMA两种方式，并且两者可以混合使用。但由于我脑补了SPI与DMA外设的协作方式，走了一些弯路，主要症状是：DMA并没有按照我预想的去吧数据传递给SPI的DR寄存器，而是“磨洋工”。为了调试这个问题，我“愤怒地”用ST-Util直接看STM32F103的外设地址寄存器（用看内存的方式来看），发现DMA1_Channel3的CNDTR寄存器值一直为零，如下图：

如图所示，选中的那一格就是DMA1_Channel3的CNDTR寄存器的值，保持为0根本不动。这个的意思是：“我（DMA1通道3）没有数据可传输。”

但我使用软件方式把数据写入到SPI1的DR寄存器的时候，它是进行了传输的——我用PIO方式让STM32F103在ILI9341屏幕上随机绘制像素点的时候，我可以看到屏幕上随机出现了各种颜色的像素点。
而我对于DMA的测试方式是：我让它完成清屏，也就是用一种特定颜色写屏。我让它每在屏幕上画一个像素点就清一次屏，这样一来，如果屏幕上堆满了花花绿绿的像素，就意味着清屏的功能不行——DMA没有正确传输。

为了解决这个问题，我调整了我进行DMA方式传输的代码。原先的代码是这样的：

以上代码是配置DMA通道的部分，而对于DMA传输开启的代码我是怎么写的呢？请看下图：

我是这样想的：

我的SPI和DMA都是开启的状态，因为我调用了下面的两条函数：

SPI_Cmd(ILI9341_SPIx, ENABLE);
DMA_Cmd(ILI9341_DMAx_ChannelTX, ENABLE);

复制代码

但我知道它并没有立即就开始传输数据，因为我没有让SPI外设请求DMA通道去获取需要传输的数据。

当我调用以下语句后，SPI1就会在TXE（传输缓冲区空）的时候请求DMA提供数据。这样它就能开启传输了：

SPI_I2S_DMACmd(ILI9341_SPIx, SPI_I2S_DMAReq_Tx, ENABLE);

复制代码

当DMA传输进行的时候，SPI外设会因为传输的过程而进入“Busy”（繁忙）的状态。只要等到它不繁忙了，就可以确保数据已经完成传输了。

如图所示，DMA与SPI的协作方式就是：
TXE（传输缓冲区空）bit为1的时候，DMA写一个数据到SPI->DR，开启传输（SPI复制数据到它的发送缓冲区，根据高位和低位谁在前的顺序进行一边移位一边），这个过程同时也清零了TXE的值；

因为SPI的移位寄存器（发送缓冲区）在发送东西，所以传输缓冲区不为空，TXE为0，DMA的传输通道（对于SPI1，是DMA3；对于SPI2，是DMA5）等待下一个TXE信号，而SPI外设则每时钟每次往MOSI传输一个BIT时，也从MISO接收一个BIT，这叫“全双工”；

SPI传输完8个bit（此处暂不考虑16bit模式的情况，但原理相同）后，也同时收到了8个bit，于是完成一次传输的同时也完成了一次接收，接收缓冲区满，RXNE为1；

于此同时，要发送的数据也发送出去了，移位寄存器空了，于是TXE为1，此时往SPI->DR写入数据，它就能准备好下一轮的发送，那么DMA的传输通道将会继续写入数据；

因为RXNE的值是1，所以DMA的接收通道（对于SPI1，是DMA2；对于SPI2，是DMA4）从SPI->DR读取一次，将其写入到内存，这个过程读取了数据，所以RXNE为0；

因为DMA的传输通道写入了数据到SPI->DR，它就会开始进行新一轮的传输；
或者DMA传输通道不传输数据，那么SPI就处于待机状态。

我认为只需要通过SPI_I2S_DMACmd(ILI9341_SPIx, SPI_I2S_DMAReq_Tx, ENABLE);这句来让SPI允许其钦定的DMA的传输通道通过判断SPI的TXE状态来填写数据到SPI->DR从而完成发送，就可以启动DMA方式SPI发送数据的过程；
并且当SPI在发送数据的时候，只需要不断poll判断SPI的BSY状态（忙碌状态，也就是正在发送数据的状态）就可以判断DMA是否传输完成了。

但当我实际测试的时候，我发现这种方式并不能正确传输数据——实际的症状是，我成功进行了第一次DMA方式使用SPI传输数据；但当我想启动第二次传输的时候，我的单片机似乎卡在了等待传输的地方，也就是进入了“死等”的状态。换句话说，传输并没有按照我预期的开始。这种方式不可行。

为了找出问题，我重新读了一遍PDF（的对应章节）。然而也许是我读得太“潦草”，我只读出了“在SPI_CR2寄存器的使能位是‘使能’的时候，一个DMA的访问是请求了的（渣翻勿喷）”（A DMA access is requested when the enable bit in the SPI_CR2 register is enabled. 引用自en.CD00171190.p

d

f 第719页 25.3.9）

也就是说，我的理解没错，但它确实没有进行DMA方式的SPI传输。我曾怀疑过是中断没有触发而导致的（事实上，我犯过一个错误，我写过这样的代码：NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = DMA1_Channel2_IRQn | DMA1_Channel3_IRQn; 但当我看了stm32f10

x

.h后我发现，这些中断请求，其实都是连续的数值，而非位域，使用OR操作并不能一次性就开启多个IRQ请求。只能一个个单独开启。

我通过在中断处理过程里面插入asm ("bkpt");来创建断点，然后在编译、下载程序、运行后用ST-Util查看单片机的MCU Core可以看到PC停到了断点上。这可以证明中断其实已经被触发了。

中途我尝试过混合使用DMA方式与PIO方式来实现写屏，测试结果发现PIO方式工作正常——写SPI外设DR寄存器后，该传输的它也传输了。屏幕上对应坐标位置处的像素也变成了对应的颜色。

我上下检查了一下源码，确保自己只使用STM32的外设驱动提供的API，去掉了所有对bitband、外设寄存器的直接写入，依然不能解决问题——反而说：按照PDF写的去操作外设寄存器似乎并没有发现什么问题，而且看了外设驱动的源码，它就是直接读写外设驱动，写入的数值也是我想写入的，理论上编译出来的代码应该没有差异才对——实测了一下，编译出来的两份代码，一份是自己写外设，一份是用STM32外设驱动写外设，编译生成的指令几乎相同。

我查看了STM32的示例源码，其中有SPI与DMA协作的部分。我照抄了它的代码，创建了我自己的工程，然后我把SPI1和SPI2的MOSI与MISO都接好，CS也接好，调试的结果与示例里面提到的效果相同——我的工程配置没有问题，并且示例看起来也没问题——关闭优化，可以看到“奴隶”（从）的接收缓冲区里接收到了来自“老大”（主）发送的正确的数据。

但有一点不同：STM32示例源码、SPI大类里DMA的例子，它是这样写的：

/* Enable SPI_SLAVE Rx request */
SPI_I2S_DMACmd(SPI_SLAVE, SPI_I2S_DMAReq_Rx, ENABLE);
/* Enable SPI_SLAVE */
SPI_Cmd(SPI_SLAVE, ENABLE);
/* Enable SPI_MASTER */
SPI_Cmd(SPI_MASTER, ENABLE);
/* Enable DMA1 Channel4 */
DMA_Cmd(SPI_SLAVE_Rx_DMA_Channel, ENABLE);

复制代码

它先开启SPI对于DMA方式读取数据的一个开关，然后开启SPI，再开启DMA。是不是这个顺序很敏感呢？我也调整了我的代码的处理部分：我先用SPI_I2S_DMACmd开启我的SPI_I2S_DMAReq_Rx | SPI_I2S_DMAReq_Tx，然后我用SPI_Cmd启动SPI，再用DMA_Cmd启动DMA。调试结果发现，运行正常——我的SPI外设终于发送了正确的数据，在ILI9341上，我用PIO方式和DMA方式传输的图像它都正常显示了。

仔细想了一下，我觉得这个问题在于，STM32对于DMA传输是否开启的过程，由DMA_Cmd（对应写DMA外设寄存器）的过程产生的边沿触发来决定，而不是由SPI_I2S_DMACmd设置的SPI外设的“DMA使能”进行电平触发来决定。
虽然感觉问题其实挺简单，但我这个调试也是够走弯路的。坑爹的PDF

总而言之，一步步照着示例去改，改一下调试一下，准没错。

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