在單片機或者是嵌入式編程中，通常軟件和硬件是緊密相連的。編程者需要同時擁有硬件思維和軟件技巧，才能使程序更高效、更穩定的運行在嵌入式系統中。在機器人系統中，各個模塊間的通信就像人的神經，往往需要很高帶寬與實時性，借助DMA和FIFO能夠極大程度的發揮出外設的性能。本文將介紹使用FIFO和DMA搭配的方式，并且詳細介紹其運作的原理。

? ? ? ??

作業無人機的通鏈路 ▌本文所述FIFO都是軟件FIFO，不包括部分DMA控制器中自帶的FIFO功能。

FIFO

FIFO是“先進先出”的縮寫，是一種常用的數據結構和算法。它是一種隊列（Queue）的實現方式，即先進入隊列的數據項先被處理，后進入隊列的數據項則后被處理。 環形隊列是一種特殊的FIFO數據結構，其中隊列被表示為一個環形結構。在環形隊列中，隊列的頭部和尾部被視為相鄰的元素，因此當尾部元素到達隊列的末尾時，它會回到隊列的開頭。這樣，隊列看起來像一個環，因此稱為環形隊列。環形隊列可以使用數組實現，但需要特殊處理插入和刪除元素的操作，以確保它們在隊列頭部和尾部之間循環。



FIFO可以用于緩存數據，當輸入數據的速度超過處理的速度時，FIFO可以作為一個緩沖區，暫時存儲多余的數據，以平滑數據的輸入和輸出速度。另外，當需要頻繁地訪問內存或外設時，FIFO可以作為一個臨時緩存區，將數據暫時存儲在隊列中，以減少對內存或外設的頻繁訪問，提高系統的效率。

DMA

DMA（Direct Memory Access，直接內存訪問）。常規情況下，我們對外設的操作都是由CPU直接處理，但面向與一些低速的傳輸手段，如：IIC、UART、SPI，為了保證時序，使用CPU操作寄存器的方法去處理無疑浪費了大量的運算時間。而DMA的出現，可以使數據可以在主存儲器和外設之間自動傳輸，而不需要CPU的干預。這可以使CPU在數據傳輸期間執行其他任務，提高整個系統的效率。



如上圖所示兩條通道中，CPU只需要和DMA進行一些指令通信，DMA就能替CPU完成對外設到內存的數據搬運。 ▌DMA也可完成內存到內存等多種方式的通信，不同的廠商的芯片通常會有一些專用的DMA控制器例如：DMA2D、MDMA等，但本質都是對內存的直接訪問。

傳輸過程

DMA的傳輸大致分為如下三個步驟：

預處理：由CPU完成一些必要的準備工作。首先，CPU執行幾條I/O指令，用以測試I/O設備狀態，向DMA控制器的有關寄存器置初值，設置傳送方向、啟動該設備等。然后，CPU繼續執行原來的程序，直到I/O設備準備好發送的數據(輸入情況)或接受的數據(輸出情況)時，I/O設備向DMA控制器發送DMA請求，再由DMA控制器向CPU發送總線請求(統稱為DMA請求)，用以傳輸數據。

數據傳送：DMA的數據傳輸可以以單字節(或字)為基本單位，對于以數據塊為單位的傳送，DMA占用總線后的數據輸入和輸出操作都是通過循環來實現。需要特別之處的是，這一循環也是由DMA控制器(而不是通過CPU執行程序)實現的，即數據傳送階段是完全由DMA(硬件)來控制的。

后處理：DMA控制器向CPU發送中斷請求，CPU執行中斷服務程序做DMA結束處理，包括檢驗送入主存的數據是否正確，測試傳送過程中是否出錯(錯誤則轉入診斷程序)和決定是否繼續使用DMA傳送其他數據塊等。

由此可以看出，整個過程中，CPU只需要介入預處理和后處理的少量指令環節。在一些特殊情況下，例如ADC數據的DMA傳輸，只需要在初始化時進行配置，DMA設置為循環模式，后續的過程完全不需要CPU介入，極大的節約了CPU時間。

快遞員與快遞站

在實際生活中，我們隨處可見DMA和FIFO的身影，為了能更加方便的理解DMA和FIFO的作用，我們可以用快遞員和快遞站來做比喻：

FIFO（先進先出隊列）是一個快遞站，快遞員將快遞按照到達時間順序放在一個隊列中，當需要發貨時，按照隊列順序一個一個地取出快遞進行發貨，保證了快遞的順序性。快遞站如果太小，如果收發快遞數量太多，快遞站就會爆滿堵塞，快遞丟失。如果快遞站過大，則占用過多土地，得不償失。

DMA（直接內存訪問）是一名任勞任怨的快遞員，他可以直接到發貨地點取出快遞并將其送到目的地，中間的驛站可以視為內存或者緩存。在這個過程中，快遞員可以不停歇地工作，而不需要等待驛站的確認，同時也不需要用戶的干預，可以大大提高快遞的效率和速度。

DATA（數據），數據則是快遞，快遞的尺寸數量要考慮快遞員的能力，不能過大過多。

無論是現實還是嵌入式系統，人和內核不可能時時刻刻都帶等待快遞和數據。數據的處理和接收并不一定是同時進行的，內核對數據的等待造成了系統的阻塞，但數據的不及時處理會造成了數據的丟包，以上兩個原因促使了DMA和FIFO的相互補充使用。

更高的效率

以上用具體的例子比喻了DMA和FIFO的應用場景，實際應用也當如此。以下會介紹詳細的使用方法和具體的應用場景，同時開發者也要認清，并不是所有的場景都適合使用DMA，使用時要考慮實際的穩定性和必要性。

應用場景

下面將列舉幾種場景，分別是DMA與軟件FIFO配合、DMA以及不適合DMA場景的應用。

▌DMA-FIFO

DMA-FIFO最適合數據量大、不定長的數據包的場景，典型應用為串口通信，無論是串口的接收還是發送，使用DMA-FIFO都能極大的增加芯片的運行效率，且在絕大多數情況下都能提高串口外設的性能。PWM、GPIO操作算是DMA應用中一個比較冷門的應用，使用DMA操作此類外設，能零堵塞、高時序精度去實現W2812全彩燈、DSHOT協議等功能。

▌DMA

單用DMA適合數據量大、定長、定周期的場景，典型應用為SPI-LCD數據傳輸、攝像頭DCMI傳輸、ADC傳輸、內存-內存傳輸，此類傳輸特點大多數為大塊數據周期性傳輸，傳輸速度要求高，數據量比較大。例如在攝像頭數據的傳輸過程中，攝像頭數據固定以30FPS進行傳輸，配合DMA的雙緩存功能能很好的實現數據的傳輸與處理同時進行，此外像DMA2D這種專用的圖像顯示DMA也是相同的道理。

▌不適用場景

雖然DMA在許多情況下可以提高數據傳輸的效率和速度，但并不是所有情況都適合使用DMA。下面是一些不適合使用DMA的場合：

數據一致性場合：DMA傳輸過程中不需要CPU干預，所以實際上CPU并不知道內存中數據發生了變動，尤其是在啟用了cache的情況下，數據一致性問題就變得尤其嚴重。例如一些加密、解密、固件寫入等場合，對數據一致性要求較高、需要實時校驗，不建議使用DMA傳輸。

時序一致性場合：DMA也不適合對于數據包時序要求嚴格的場合，例如在SPI寫入LCD數據指令前，需要先寫入控制指令并操作DC引腳，在這種情況下，如果不能將傳輸與中斷的邏輯進行妥善處理，則會造成嚴重的數據沖突，所以SPI-LCD屏一般只有在數據階段采用DMA傳輸。還有在初始化階段，程序對于效率速度的要求不高，但時序與穩定性要求較高的時候，不建議使用DMA傳輸。

數據傳輸量較小：由于DMA傳輸存在預處理和后處理階段，例如僅傳輸幾個字節的數據，那么使用DMA可能不會帶來很大的性能提升。相反CPU可能需要反復進入中斷進行處理，增加了額外的復雜性和成本。

技巧與細節

在DMA的使用過程中，也存在很多的使用技巧，例如利用好DMA的全傳輸中斷、半傳輸中斷與雙緩存，能使DMA的傳輸性能得到進一步的提高。熟悉DMA的基本屬性，需要仔細的去閱讀相應芯片廠商的技術手冊，避免其在傳輸中發生沖突，數據發生覆蓋等問題的發生。

總結

FIFO和DMA的應用只是嵌入式系統中優化的一小部分，對于開發者來說，在開發過程中，“能用”并不是調好一個外設的標準。在項目調試工程中，往往會遇到因為打印了幾行日志、變更了協議格式、更改了通信速率，就發現程序就不能正常運行了，不嚴謹、不規范的開發方式容易使項目陷入Bug越改越多的開發陷阱中。

審核編輯：劉清