DMA 傳輸完全解析：從架構到實作，STM32/ESP32 的 Direct Memory Access 教學

先講一件我踩過的事：我以前寫 UART 收資料，用中斷一個 byte 一個 byte 接，接完再自己塞進緩衝。等到要同時跑 ADC 連續取樣跟通訊，CPU 就開始喘了 —— 明明時脈沒變、程式也沒寫錯，就是資料一多就掉資料。

問題不在演算法，在「搬資料」這件事本身就吃掉了 CPU 的每一分力氣。DMA 傳輸（Direct Memory Access，直接記憶體存取）要解決的就是這個：讓周邊設備自己去跟記憶體交換資料，CPU 只負責下指令跟收結果。

什麼是 DMA？為什麼需要它？

先看沒有 DMA 的時候，我們在做什麼。傳統的程式 I/O 模式裡，CPU 必須逐字節、逐字地把資料從周邊讀進來再寫進記憶體。你寫的每一行收資料的程式碼，本質上都在做同一件事 —— 當搬運工。

當搬運工不丟臉，丟臉的是代價：

• CPU 被「綁架」在資料搬運上，其他事情都別想做了
• 高頻率的資料傳輸（例如 ADC 1 MSps）會把 CPU 頻寬直接吃光
• 控制迴路、通訊協定這類講究即時性的任務，會被搬運排隊排到延遲

DMA 控制器就是專門為這件事做的一顆「資料搬運引擎」。它在背景自己完成記憶體與周邊之間的傳輸，平常不吵你，只在傳輸完成或發生錯誤的時候才通知 CPU。所以下面這篇文章，我從硬體架構開始講，再講傳輸模式、配置流程，最後用 STM32 跟 ESP32 各寫一份完整的程式。

DMA 控制器架構

把它想成「站在周邊與記憶體中間的一個獨立角色」就很好懂了。周邊有資料要進或要出，是它去接手；而 CPU 只需要在開機的時候把規則講清楚一次，之後就可以完全放手。

以 STM32F4 為例，DMA2 有 8 個 Stream（資料流），每個 Stream 又有 8 個 Channel（通道）。這幾個名詞第一次看會很亂，但其實原文這張表就已經講完了：

我自己的記法是這樣：Stream 是「一條搬運路線」，Channel 是「這條路線給誰用」，FIFO 則是「先把貨湊齊再上車」。所以你會看到程式裡寫 DMA2_Stream0、DMA_CHANNEL_0、Priority 這三樣東西是綁在同一組設定裡的 —— 它們講的其實是同一條路線的三個面向。

DMA 傳輸類型

方向只有四種，名字都是縮寫，拆開來看就沒什麼好怕的：

• M2M（Memory-to-Memory）：記憶體對記憶體，等於硬體版的 memcpy
• M2P（Memory-to-Peripheral）：記憶體送到周邊，例如 SPI 發送、DAC 輸出
• P2M（Peripheral-to-Memory）：周邊送進記憶體，例如 ADC 取樣、UART 接收
• P2P（Peripheral-to-Peripheral）：周邊直接對周邊，只有部分系列支援

這張表是我的私房檢查清單。方向只是其中一格，真正讓人在半夜 debug 的是優先級、資料寬度跟 FIFO 這幾格 —— 之後 HAL 初始化那段程式碼看起來很長，其實就是在填這些格子。

DMA 請求/確認握手機制

DMA 不是「CPU 說搬就馬上搬」，它是周邊跟 DMA 控制器之間打招呼換來的。當周邊（例如 USART）的 RX 寄存器收到一個字節，流程是這樣跑的：

1. 周邊拉高 DMA Request 訊號
2. DMA 控制器開始仲裁（看優先級，也看輪詢）
3. DMA 回一個 Ack，拿到匯流排控制權
4. DMA 從周邊的資料寄存器把資料讀出來，寫進記憶體位址
5. 位址遞增、傳輸計數器遞減
6. 釋放匯流排，等下一次 Request

注意最後兩步：一次 Request 只搬一筆，搬完就把匯流排還回去。所以你會在時序圖上看到 Request 跟 Ack 一來一往、計數器一格一格往下掉。真正重要的是最下面那兩條旗標線 —— 半完成與完成，它們決定了 CPU 什麼時候被叫醒。

Ping-Pong Buffer（雙緩衝）

接下來是我認為最值得學的一個技巧。DMA 一直在寫，CPU 又要一直讀，兩邊搶同一塊記憶體遲早出事，所以我們準備兩塊：

規則只有一句話：DMA 正在寫的那一塊，CPU 不碰；CPU 正在處理的那一塊，DMA 不碰。於是兩個角色可以一直平行作業，畫面（或資料流）不會開天窗。實作上有三個重點：

• 在 DMA 完成中斷裡切換 Buffer 指標
• 兩個 Buffer 的大小必須相同
• 用 Circular Mode，或部分系列支援的雙 Buffer Mode 讓硬體自動切換

STM32 HAL 實作：DMA + ADC 連續取樣

先初始化 DMA，再初始化 ADC，最後一行啟動。整段程式碼只有一個地方要特別注意：設定完之後 CPU 就真的要放手，不要又偷偷跑去輪詢。

#include "stm32f4xx_hal.h"

#define ADC_BUF_LEN  1024
uint16_t adc_buffer[ADC_BUF_LEN];

ADC_HandleTypeDef hadc1;
DMA_HandleTypeDef hdma_adc;

void MX_DMA_Init(void) {
    __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();
    hdma_adc.Instance = DMA2_Stream0;
    hdma_adc.Init.Channel  = DMA_CHANNEL_0;
    hdma_adc.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;    // P2M
    hdma_adc.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;         // 周邊位址不遞增
    hdma_adc.Init.MemInc    = DMA_MINC_ENABLE;          // 記憶體位址遞增
    hdma_adc.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_HALFWORD;  // 16 bit
    hdma_adc.Init.MemDataAlignment    = DMA_MDATAALIGN_HALFWORD;
    hdma_adc.Init.Mode      = DMA_CIRCULAR;              // 循環模式
    hdma_adc.Init.Priority  = DMA_PRIORITY_HIGH;
    HAL_DMA_Init(&hdma_adc);

    __HAL_LINKDMA(&hadc1, DMA_Handle, hdma_adc);
}

void MX_ADC1_Init(void) {
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ScanConvMode  = DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = ENABLE;   // 連續轉換
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    MX_DMA_Init();
    MX_ADC1_Init();

    // 啟動 DMA + ADC（硬體自動搬運）
    HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)adc_buffer, ADC_BUF_LEN);

    while (1) {
        // CPU 可以在這裡做其他事！
        // 最新的 ADC 資料一直在 adc_buffer[] 中更新
        uint16_t latest = adc_buffer[ADC_BUF_LEN - 1];
        HAL_Delay(10);
    }
}

// DMA 完成回呼（每填滿一次觸發）
void HAL_ADC_ConvCpltCallback(ADC_HandleTypeDef* hadc) {
    // 可在此切換 Ping-Pong Buffer
    // HAL_ADC_Start_DMA(&hadc1, (uint32_t*)ping_buffer, ADC_BUF_LEN);
}

我自己最常被問的是「那我到底要去哪裡拿資料」。答案是主迴圈裡直接讀 adc_buffer 就好 —— 它一直在被更新，你讀到的永遠是最近的取樣值，這正是 DMA 值錢的地方。

ESP32 實作：DMA + SPI 傳輸

ESP32 的 SPI 控制器本身就內建硬體 DMA（GDMA），所以不用像 STM32 那樣自己配 Stream 跟 Channel，只要在初始化時把 DMA 開起來就好：

#include "driver/spi_master.h"

#define DMA_CHUNK_SIZE  4096
uint8_t tx_buffer[DMA_CHUNK_SIZE];
uint8_t rx_buffer[DMA_CHUNK_SIZE];

void app_main(void) {
    spi_bus_config_t bus_cfg = {
        .miso_io_num = 12,
        .mosi_io_num = 13,
        .sclk_io_num = 14,
        .quadwp_io_num = -1,
        .quadhd_io_num = -1,
        .max_transfer_sz = DMA_CHUNK_SIZE * 2,
    };
    spi_bus_initialize(SPI2_HOST, &bus_cfg, SPI_DMA_CH_AUTO);  // 啟用 DMA

    spi_device_handle_t spi;
    spi_device_interface_config_t dev_cfg = {
        .clock_speed_hz = 10 * 1000 * 1000,  // 10 MHz
        .mode = 0,
        .spics_io_num = 15,
        .queue_size = 1,
    };
    spi_bus_add_device(SPI2_HOST, &dev_cfg, &spi);

    // DMA 傳輸（資料自動透過 GDMA 搬運，不佔用 CPU）
    spi_transaction_t t = {
        .length = DMA_CHUNK_SIZE * 8,     // 位元數
        .tx_buffer = tx_buffer,
        .rx_buffer = rx_buffer,
    };
    spi_device_transmit(spi, &t);  // 底層使用 DMA 傳輸

    // 同時，CPU 可以處理其他任務
    printf("SPI DMA 傳輸完成！\n");
}

差別在這裡：ESP32 的 DMA 是「預設幫你做好」，STM32 的 DMA 是「給你一張空白表格自己填」。前者上手快，後者彈性大。但兩邊的核心觀念一模一樣：資料搬運不經過 CPU，CPU 才有餘力去處理真正需要動腦的事。

DMA + FIFO 的搭配

DMA 跟 FIFO 是天生一對：一個負責搬，一個負責在兩邊速率不一致時當緩衝。幾個常見的組合：

• UART RX：DMA 把 UART FIFO 的資料週期性搬進 Ring Buffer，CPU 再從 Ring Buffer 慢慢讀
• SPI TX：CPU 只要把 DMA Buffer 填好，DMA 會逐 byte 餵給 SPI FIFO，CPU 全程解放
• ADC + DMA + 雙 Buffer：DMA 輪流填兩塊，CPU 處理已經填滿的那一塊

還有一個很少人一開始就知道的細節：DMA 的觸發來源通常設在 FIFO 的「幾乎空」或「幾乎滿」事件，而不是每個 byte 都觸發一次。理由是傳輸次數會直接影響匯流排佔用，把零碎的搬運合併成一筆大的，效率差很多。

常見陷阱

接下來這三件事，是我看過最多人卡住的地方。它們的共同點是：程式看起來完全沒錯，數字也都對，但行為就是不如預期。

Cache Coherency（快取一致性）

這是 STM32H7 這類高階 MCU 最經典的坑。CPU 的 Cache 裡可能還放著資料的舊副本，而 DMA 是直接寫進 SRAM 的 —— 結果就是 CPU 很開心地讀到 Cache 裡的舊資料，然後懷疑人生。

解法：把 DMA 緩衝區所在的記憶體區域設成「非快取」（Non-Cacheable），或者在存取前先做 Cache 的清理與失效。

// STM32H7 解法：使用非快取記憶體區段
// 或在 DMA 讀取前失效 Cache
SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t*)buffer, size);
// 在 DMA 寫入前清理 Cache
SCB_CleanDCache_by_Addr((uint32_t*)buffer, size);

Buffer Overflow / Underflow

當 DMA 的搬運速度超過 CPU 的處理速度，Buffer 會來不及被讀走就被下一輪覆寫（Overflow）。反過來，CPU 處理太快、資料還沒進來，讀到的就是空的（Underflow）。

解法：用 Ping-Pong Buffer 搭配水位標記（Watermark），或改用 Circular DMA Mode 並確實追蹤讀寫指標。

DMA 與中斷競爭

DMA 完成中斷如果跟其他中斷同時發生，就有機會在共享資料上撞車，也就是資料競爭（Race Condition）。

解法：在 DMA 回呼裡用原子操作，或直接關中斷來保護那段共享資料。這段程式碼很短，但少了它，你的 bug 會是那種一個月才出現一次的類型。

上面這張表是我整理過的排查順序。經驗上，先確認問題是「資料不對」還是「資料不見」，再往 Cache 與記憶體一致性的方向查，通常五分鐘內就能縮小範圍。

總結

DMA 是嵌入式系統裡與 Timer、Interrupt 並列的三大核心硬體資源之一。同樣的 CPU 頻率，用不用 DMA 決定你能處理多少資料流 —— 這就是從「能用」到「高效能」的分界線。

如果你剛開始學，我的建議是從 STM32 HAL 的 ADC + DMA 範例下手，先親眼看著 CPU 從輪詢裡被解放出來是怎麼一回事；等你習慣了，再回來挑戰 Ping-Pong Buffer 跟快取一致性。

延伸閱讀：FIFO 完全解析 · Modbus 通訊協定 · PID 演算法