本帖最后由 DKENNY 于 2025-5-26 16:15 编辑
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前言
今天我们继续讲讲ETH这玩意儿，我们知道ETH在使用的时候，会有个专门的DMA使用，文档里说以太网通信需要DMA，代码里要配置DMA，但DMA到底是干啥的？为啥以太网非得用它？它跟其他外设（比如串口USART）的DMA有啥不一样？不用DMA行不行？
1、引言：DMA是个啥？为啥以太网离不开它？
如果我们在用APM32F407开发一个联网设备，比如一个能跟远程服务器聊天的智能传感器，我们的程序要发送一大堆数据（比如传感器读数）到服务器，或者从服务器接收一堆数据，这时候，APM32F407的以太网模块就像一个“快递公司”，负责把数据打包、发送，或者接收、拆包。但问题来了：这些数据量可能很大，频繁地搬来搬去会让CPU忙得喘不过气。怎么办？这就是 DMA 登场的时候！
DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）就像快递公司里的“自动搬运机器人”。它可以在CPU“偷懒”的时候，自动把数据从一个地方（比如内存）搬到另一个地方（比如以太网模块），或者反过来搬回来。有了DMA，CPU就不用亲自操心数据的搬运，可以专心干别的活儿（比如处理传感器数据）。
在以太网通信中，DMA的角色尤其重要，因为以太网数据量大、速度快，手动搬运根本忙不过来。这篇文章将带你搞清楚：
1. DMA在以太网模块中具体干了啥？
2. 它传输的是什么数据？
3. 跟普通外设（像USART）的DMA有啥区别？
4. 它怎么帮单片机跟服务器通信？
5. 不用DMA会发生什么？
2、DMA的基础知识：从“搬运工”到“超级助手”
2.1 DMA是什么？
DMA是“直接内存访问”的缩写，顾名思义，它能直接访问内存，把数据从一个地方搬到另一个地方，而不需要CPU亲自参与。正常情况下，CPU就像个“勤劳的搬运工”，每次都要亲自把数据从内存读出来，写到外设（比如以太网模块）里，或者反过来。但如果数据量很大，CPU就会累得不行，效率也低。
DMA就像一个聪明的“机器人”，可以接管搬运任务。它的工作方式是：
- CPU通知DMA：“你把这块内存的数据搬到以太网模块去！”
- DMA就自动开始搬运，搬完后通知CPU：“活儿干完了！”
- CPU在这期间可以干别的，比如计算、控制LED，或者啥也不干（省电！）。
2.2 为什么以太网需要DMA？
以太网通信跟其他外设（比如串口）比起来，有几个“硬核”特点：
- 数据量大：一个以太网数据包（帧）可能有几十到上千字节，远超串口的几十字节。
- 速度快：以太网支持10Mbps或100Mbps，数据来得又快又猛，CPU手动搬运根本跟不上。
- 实时性强：网络通信讲究“低延迟”，如果CPU忙着搬数据，可能会错过关键时机，导致丢包。
DMA的出现完美解决了这些问题。这玩意儿就是一个“超级搬运工”，能快速、批量地把数据搬来搬去，让以太网通信又快又稳。
图1：DMA在以太网通信中的角色
3、DMA在APM32F407以太网模块中的作用：它具体干了啥？
APM32F407的以太网模块内置了MAC（Media Access Control，介质访问控制），负责处理以太网帧的逻辑（打包、拆包、校验等）。但MAC只是个“打包员”，它需要有人把数据送到它手里，或者把收到的数据搬走。这就是DMA的舞台！
3.1 DMA传输的内容：搬运的是啥？
在以太网通信中，DMA主要搬运的是以太网数据帧（Ethernet Frame）。一个以太网帧包含：
- 前导码：用来同步信号。
- 目标地址和源地址：标明数据发给谁、从哪儿来。
- 类型字段：说明数据是什么类型（例如IP包）。
- 数据载荷：真正的“货物”，例如你的传感器数据或服务器的响应。
- 校验码（CRC）：用来检查数据有没有出错。
DMA的任务是：
- 发送时：把内存里准备好的以太网帧（包括头、数据和校验码）搬到MAC的发送缓冲区（TX Buffer）。
- 接收时：把MAC接收缓冲区（RX Buffer）里的以太网帧搬到内存，供程序处理。
3.2 以太网DMA的工作流程
APM32F407的以太网模块有专门的DMA控制器，分为 发送DMA（TX DMA）和 接收DMA（RX DMA）。以下是它们的工作流程：
发送流程
1. 程序准备数据：
- 你的程序（比如用LwIP协议栈）生成一个数据包，比如一个UDP包（“Hello, Server!”）。
- 数据包被封装成以太网帧，存储在内存的某个区域（比如一个数组）。
2. 配置DMA：
- CPU告诉TX DMA：“把内存地址0x20001000开始的1500字节数据搬到MAC的TX Buffer！”
- 配置包括源地址（内存）、目标地址（TX Buffer）、数据长度等。
3. DMA搬运：
- TX DMA自动从内存读取数据，搬到MAC的发送缓冲区。
- 搬运过程中，CPU可以干别的（比如处理传感器数据）。
4. MAC发送：
- MAC把缓冲区的数据通过PHY（物理层芯片）发送到网线。
- 发送完成后，DMA通知CPU：“数据发完了！”
接收流程
1. MAC接收数据：
- PHY从网线接收到数据帧，交给MAC。
- MAC把数据帧存到接收缓冲区（RX Buffer）。
2. 配置DMA：
- CPU告诉RX DMA：“把MAC的RX Buffer数据搬到内存地址0x20002000！”
- 配置包括源地址（RX Buffer）、目标地址（内存）、最大长度等。
3. DMA搬运：
- RX DMA自动从RX Buffer读取数据，搬到内存。
- 搬完后，DMA通知CPU：“新数据到啦！”
4. 程序处理：
- 程序从内存读取数据，交给协议栈处理（比如解析服务器的响应）。
图2：以太网DMA工作流程
4、与普通外设的DMA对比：以太网DMA有啥特别？
你可能听说过其他外设（比如USART、SPI）也用DMA，比如串口用DMA传输一串字符。乍一看，以太网的DMA跟这些好像差不多，都是“搬数据”。但实际上，以太网DMA有几个独特之处，让它跟普通外设的DMA大不相同。
4.1 数据量和速度
普通外设（USART）：
- 数据量小：串口一次传输几十字节，比如一个字符串“Hello”。
- 速度慢：USART的波特率通常是115200bps（约11.5KB/s），远低于以太网的100Mbps（12.5MB/s）。
- DMA任务简单：一次搬运几十字节，CPU手动搬运也能勉强应付。
以太网：
- 数据量大：一个以太网帧可能有1500字节，连续传输可能有成千上万个帧。
- 速度快：100Mbps的速率意味着每秒要处理12.5MB数据，CPU手动搬运根本忙不过来。
- DMA任务复杂：需要高效、批量地搬运大数据块，还要保证实时性。
串口DMA就像搬运一篮子苹果，慢悠悠搬就行；而以太网DMA像搬运一卡车货物，必须用高速传送带。
4.2 数据结构
普通外设（USART）：
- 数据是简单的字节流，比如一串字符，没有复杂的结构。
- DMA直接把字节从内存搬到串口寄存器，或者反过来。
以太网：
- 数据是以太网帧，有复杂的结构（前导码、地址、数据、校验码）。
- DMA需要按照帧的格式搬运，还要配合MAC的缓冲区管理（TX/RX Descriptor）。
串口DMA就像搬运一堆散装零件，简单直接；而以太网DMA像搬运一箱箱精心打包的快递，得多留心格式。
4.3 缓冲区管理
普通外设（USART）：
- 通常只有一个简单的缓冲区（比如串口发送寄存器）。
- DMA直接把数据搬进/搬出这个寄存器，管理简单。
以太网：
- 以太网模块有专门的发送和接收缓冲区（TX Buffer和RX Buffer），通过描述符（Descriptor）管理。
- 描述符是一个数据结构，告诉DMA每个数据帧的地址、长度、状态等信息。
- DMA需要根据描述符一个接一个地搬运帧，管理复杂得多。
串口DMA就像把东西扔进一个小篮子；而以太网DMA像管理一个大仓库，货物按清单（描述符）整齐摆放。
4.4 中断和实时性
普通外设（USART）：
- 传输完成后，DMA触发一次中断，通知CPU“搬完了”。
- 实时性要求低，晚点处理也没啥大不了。
以太网：
- 数据帧来得快，DMA可能频繁触发中断（每次帧搬完都可能通知）。
- 实时性要求高，稍有延迟就可能丢包，影响网络通信。
串口DMA就像慢悠悠送封信，晚点没事；而以太网DMA像实时送快递，晚了客户就得投诉。
图3：以太网DMA与USART DMA对比
5、DMA如何辅助与远程服务器通信？
以太网通信的终极目标是让APM32F407跟远程服务器“聊天”，比如发送传感器数据或接收控制命令。DMA在其中扮演了“高速搬运工”的角色，确保数据顺畅流动。让我们以一个实际场景为例，来看看DMA是怎么干活的。
5.1 场景：发送传感器数据到服务器
假设你用APM32F407开发一个温湿度传感器，通过以太网把数据发送到远程服务器。流程如下：
1. 程序生成数据
- 传感器每秒采集一次温湿度，生成一个JSON格式的数据包，比如`{"temp":25.5, "humidity":60}`。
- LwIP协议栈把数据封装成UDP包，加上IP头、UDP头，变成以太网帧，存储在内存（比如地址0x20001000）。
2. DMA搬运数据
- CPU配置TX DMA，告诉它：“把0x20001000的1500字节数据搬到MAC的TX Buffer！”
- TX DMA自动从内存读取数据，搬到发送缓冲区。
- 搬运过程中，CPU可以继续采集下一次传感器数据。
3. MAC和PHY发送
- MAC把缓冲区的数据通过PHY（比如LAN8720）发送到网线。
- 数据通过路由器、交换机，最终到达服务器。
4. DMA通知完成
- TX DMA搬完数据，触发中断，通知CPU：“发送缓冲区已准备好，可以发下一个帧了！”
DMA就像个快递员，把你打包好的传感器数据（快递包裹）从仓库（内存）送到卡车（MAC），然后卡车开往服务器。
5.2 场景：接收服务器的响应
现在服务器回复了一条命令，比如`{"command":"turn_on_led"}`。接收流程如下：
1. PHY和MAC接收
- PHY从网线接收到数据帧，交给MAC。
- MAC把数据存到接收缓冲区（RX Buffer）。
2. DMA搬运数据
- CPU配置RX DMA，告诉它：“把RX Buffer的数据搬到内存0x20002000！”
- RX DMA自动从缓冲区读取数据，搬到内存。
3. 程序处理
- RX DMA搬完数据，触发中断，通知CPU：“新数据到啦！”
- 程序从内存读取数据，解析命令，点亮LED。
这时，DMA像个收货员，把服务器送来的包裹（数据帧）从卡车（MAC）搬到仓库（内存），让你轻松处理。
5.3 DMA的贡献
DMA在与服务器通信中的作用可以总结为：
- 高效搬运：快速搬运大数据帧，适应以太网的高速需求。
- 解放CPU：让CPU专注逻辑处理（比如解析JSON、控制硬件），而不是忙于搬数据。
- 保证实时性：及时搬运数据，减少丢包，确保通信顺畅。
图4：DMA在服务器通信中的作用
6、如果不用DMA会怎么样？
为了突出DMA的重要性，我们来设想一下：如果以太网通信不用DMA，全靠CPU手动搬运，会发生什么？
6.1 CPU忙到“崩溃”
- 问题：以太网帧动辄上千字节，100Mbps速率下每秒有12.5MB数据。CPU需要不停地从内存读取数据，写入MAC的寄存器，或者反过来。
- 后果：CPU几乎全部时间都花在搬运数据上，没空干别的（比如处理传感器、更新显示屏）。系统会变得超级卡顿。
贴切的说，没有DMA的时候，CPU就像一个快递员，既要打包、搬货，还要开车送货，累得晕头转向。
6.2 数据丢失
- 问题：以太网数据来得快，CPU手动搬运可能跟不上节奏。如果MAC的接收缓冲区满了，新数据就会被丢弃。
- 后果：丢包严重，通信不稳定，可能连不上服务器。
贴切的说，没有DMA的时候，快递卡车送货太快，仓库来不及收，包裹就被扔了。
6.3 实时性差
- 问题：网络通信讲究低延迟，CPU忙于搬运会导致响应变慢。
- 后果：服务器发来的命令可能延迟处理，用户体验变差（比如LED晚点亮）。
贴切的说，没有DMA的时候，客户等着收快递，但快递员忙着搬货，送货慢得让人抓狂。
6.4 总结：不用DMA几乎不可能
以太网通信的高速和大流量特性决定了DMA的不可或缺。没有DMA，CPU会被数据搬运任务拖垮，通信效率和稳定性都会大幅下降。在实际开发中，APM32F407的以太网模块几乎总是搭配DMA使用。
7、DMA的实现：代码和配置
为了更直观地理解DMA，我们来看看在APM32F407上如何配置以太网DMA，以及实际的一些代码实现。
7.1 DMA配置的关键点
APM32F407的以太网DMA通过以下寄存器配置：
- ETH_DMATxDTR：发送描述符表寄存器，指向TX描述符列表。
- ETH_DMARxDTR：接收描述符表寄存器，指向RX描述符列表。
- ETH_DMACTLR：控制DMA的启动、停止和模式。
- ETH_DMAISR：中断状态寄存器，检查DMA传输状态。
描述符（Descriptor）是DMA的“任务清单”，每个描述符包含：
- 数据缓冲区的地址。
- 数据长度。
- 状态标志（比如传输完成、错误）。
7.2 代码示例：以太网DMA初始化
以下是初始化以太网DMA的代码，基于LAN8720（RMII接口）：
#include "apm32f4xx_eth.h"
#include "apm32f4xx_gpio.h"
#include "apm32f4xx_rcm.h"
#define TX_DESC_NUM 4
#define RX_DESC_NUM 4
ETH_DMADesc_T txDescTable[TX_DESC_NUM];
ETH_DMADesc_T rxDescTable[RX_DESC_NUM];
uint8_t txBuffer[TX_DESC_NUM][1536]; // 每个缓冲区1536字节
uint8_t rxBuffer[RX_DESC_NUM][1536];
void ETH_DMA_Init(void)
{
// 使能以太网时钟
RCM_EnableAHB1PeriphClock(RCM_AHB1_PERIPH_ETHMAC | RCM_AHB1_PERIPH_ETHMACTX | RCM_AHB1_PERIPH_ETHMACRX);
// 初始化描述符表
ETH_DMADescConfig_T descConfig;
descConfig.buffer1Addr = (uint32_t)txBuffer;
descConfig.buffer2Addr = 0;
descConfig.length = 1536;
descConfig.descNum = TX_DESC_NUM;
ETH_DMATxDescConfig(txDescTable, &descConfig);
descConfig.buffer1Addr = (uint32_t)rxBuffer;
descConfig.descNum = RX_DESC_NUM;
ETH_DMARxDescConfig(rxDescTable, &descConfig);
// 配置DMA
ETH_DMAConfig_T dmaConfig;
dmaConfig.txDescTable = txDescTable;
dmaConfig.rxDescTable = rxDescTable;
dmaConfig.dropFrame = ENABLE;
ETH_DMAConfig(&dmaConfig);
// 启动DMA
ETH_DMAStart();
}
7.3 数据发送和接收
以下是使用DMA发送和接收数据的代码：
void ETH_SendPacket(uint8_t* data, uint32_t len)
{
// 填充发送缓冲区
memcpy(txBuffer[0], data, len);
// 配置描述符
txDescTable[0].length = len;
txDescTable[0].status = ETH_DMATXDESC_OWN;
// 触发发送
ETH_DMATxStart();
}
void ETH_ReceivePacket(uint8_t* buffer, uint32_t* len)
{
if (!(rxDescTable[0].status & ETH_DMARXDESC_OWN))
{
*len = rxDescTable[0].length;
memcpy(buffer, rxBuffer[0], *len);
rxDescTable[0].status = ETH_DMARXDESC_OWN; // 归还描述符
}
}
- 发送时，程序把数据拷贝到txBuffer，DMA根据描述符搬运到MAC。
- 接收时，DMA把RX Buffer的数据搬到rxBuffer，程序从中读取。
8、常见问题
在开发以太网应用时，DMA配置可能会遇到问题。以下是常见的坑和解决办法：
1. 问题：DMA不工作
- 检查DMA时钟是否使能（RCM_AHB1_PERIPH_ETHMAC）。
- 确认描述符表的地址和长度是否正确。
2. 问题：丢包严重
- 检查描述符数量是否足够（TX_DESC_NUM和RX_DESC_NUM太少会导致溢出）。
- 确保内存分配正确，避免缓冲区覆盖。
3. 问题：中断频繁
- 检查DMA中断配置，禁用不必要的中断（比如每次帧都触发）。
- 优化协议栈处理速度，减少DMA等待时间。
9、总结：DMA是不可或缺的“搬运英雄”
本文中，我们从DMA的定义、作用，到在APM32F407以太网模块中的具体实现，彻底揭开了它的神秘面纱。DMA是高速以太网通信的“搬运工”，负责把以太网帧在内存和MAC之间快速搬运，解放CPU，保证通信的效率和稳定性。
与普通外设（像USART）的DMA相比，以太网DMA处理的数据量更大、结构更复杂、实时性要求更高。没有DMA，CPU会被搬运任务拖垮，通信几乎无法进行。在与远程服务器的通信中，DMA确保数据顺畅流动，让你的传感器数据或控制命令快速到达目的地。
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楼主
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标题高亮
以太网通信中DMA的使用方法，作者从DMA的介绍到以太网中DMA起到的作用入手，以实际操作演示DMA如何提升以太网的通讯效率。整体流程完整，源码和解读较佳。