STM32H7 零 CPU 干预波形生成：MDMA 与 DAC 的深度结合

引言

在嵌入式信号发生器中，DAC 常用于输出模拟波形。传统方法中，CPU 需在每个采样点将数据写入 DAC，或使用 DMA 但受限于通道数量与灵活性。STM32H7 系列凭借其强大的 MDMA 控制器，支持内存到外设的高速搬运，且可链接多个 DMA 请求，实现复杂的数据流控制。本文将展示如何利用 MDMA 与 DAC、定时器协同，生成任意波形（如正弦波、自定义序列），全程无需 CPU 干预，大幅降低处理器负载。

原理剖析

1. 系统架构与数据流

  • DAC：STM32H7 内置 12 位 DAC，支持双通道，可配置为独立或同步模式。数据写入 DAC->DHR12R1 寄存器后，经转换输出模拟电压。
  • MDMA：不同于普通 DMA，MDMA 支持内存到内存、内存到外设的搬运，且具备 64 位带宽、多块传输和链表功能。其关键特性是可由外设触发（如定时器事件），并支持 4x4 字节的突发传输，适合高速数据流。
  • 定时器：作为采样时钟，定时器溢出事件触发 MDMA 搬运一个样本，从而控制波形频率。

数据流路径：内存（波形表） -> MDMA -> DAC->DHR12R1 -> 模拟输出。MDMA 每次传输后，DAC 自动转换，无需 CPU 介入。

2. MDMA 与 DAC 的握手机制

MDMA 可通过硬件请求线连接到 DAC 的 DMA 请求（DAC1_CH1_DMA_REQ）。当 DAC 的 DMA 使能且数据寄存器为空时，产生请求，MDMA 响应并搬运下一个数据。为精确控制采样率，通常使用定时器触发 DAC 转换，而非 DAC 自身连续转换。配置为：

  • 定时器 PWM 输出或更新事件，连接到 DAC 的触发输入（如 TIM6_TRGO）。
  • DAC 触发模式设为定时器事件，每次事件产生时，DAC 从 DHR 寄存器锁存数据并开始转换，同时发出 DMA 请求。
  • MDMA 在收到请求后，从内存读取下一个样本并写入 DHR，准备下一次转换。

此方式下，CPU 仅需初始化，后续波形生成完全自动化。

配置步骤（以 STM32H743 为例）

使用 STM32CubeMX 进行初始化，以下为关键配置：

1. 时钟配置

  • 将系统时钟配置为 400MHz（H743 最高），APB2 定时器时钟 100MHz，DAC 时钟源选择 APB2。

2. DAC 配置

  • 启用 DAC1 通道1，输出缓冲使能（提高驱动能力）。
  • 触发方式选择 Timer 6 Trigger Out event（需先配置 TIM6）。
  • DMA 设置：添加 DMA 请求，选择 MDMA 作为控制器，方向 Memory-to-Peripheral，外设地址固定为 DAC1_DHR12R1，内存地址为波形表数组。
  • 数据宽度：外设半字（16位），内存半字，因为 DAC 数据为 12 位右对齐。

3. 定时器 TIM6 配置

  • 时钟源内部，预分频器设置以得到所需采样频率。例如，若 APB2 定时器时钟 100MHz，目标采样率 100kHz，则预分频 1000-1，自动重载 1-1（即每 1 个计数周期触发）。
  • 选择 Update Event 作为触发输出（TRGO）。

4. MDMA 配置（CubeMX 中）

  • 在 DMA 设置中，选择 MDMA 通道，配置如下：
    • 请求：DAC1_CH1
    • 方向：内存到外设
    • 优先级高
    • 数据宽度：半字
    • 突发：单次（或 4 拍，视性能）
    • 内存地址递增，外设地址固定
  • 启用 MDMA 的中断（可选，用于传输完成回调）。

代码实现

1. 波形表生成

在 main.c 中定义波形表，例如 256 点正弦波：

#define WAVE_SIZE 256
uint16_t wave_table[WAVE_SIZE];

void generate_sine_wave(void) {
    for (int i = 0; i < WAVE_SIZE; i++) {
        // 12位 DAC，0-4095，中心点 2048
        wave_table[i] = (uint16_t)(2048 + 2047 * sin(2 * M_PI * i / WAVE_SIZE));
    }
}

2. MDMA 配置代码（CubeMX 生成后补充）

CubeMX 会生成基础代码，但 MDMA 的链表或循环模式需手动调整。以下为关键部分：

// 初始化 MDMA 句柄
MDMA_HandleTypeDef hmdma_dac1_ch1;

void MX_MDMA_Init(void) {
    hmdma_dac1_ch1.Instance = MDMA_Channel0;
    hmdma_dac1_ch1.Init.Request = MDMA_REQUEST_DAC1_CH1;
    hmdma_dac1_ch1.Init.TransferTriggerMode = MDMA_REPEAT_BLOCK_TRANSFER; // 循环模式
    hmdma_dac1_ch1.Init.Priority = MDMA_PRIORITY_HIGH;
    hmdma_dac1_ch1.Init.Endianness = MDMA_LITTLE_ENDIAN;
    hmdma_dac1_ch1.Init.SourceInc = MDMA_SRC_INC_HALFWORD;  // 源地址递增半字
    hmdma_dac1_ch1.Init.DestinationInc = MDMA_DEST_INC_DISABLE; // 目的地址固定
    hmdma_dac1_ch1.Init.SourceDataSize = MDMA_SRC_DATASIZE_HALFWORD;
    hmdma_dac1_ch1.Init.DestDataSize = MDMA_DST_DATASIZE_HALFWORD;
    hmdma_dac1_ch1.Init.DataAlignment = MDMA_DATAALIGN_PACKEN;
    hmdma_dac1_ch1.Init.BufferTransferLength = WAVE_SIZE; // 传输块大小
    hmdma_dac1_ch1.Init.SyncMode = MDMA_SYNC_FREE;
    hmdma_dac1_ch1.Init.SyncPolarity = MDMA_SYNC_RISING;
    hmdma_dac1_ch1.Init.SyncRequest = MDMA_SYNC_DAC1_CH1; // 由 DAC 请求同步
    HAL_MDMA_Init(&hmdma_dac1_ch1);

    // 配置循环模式：使用链表，将块传输链接到自身
    MDMA_LinkNodeTypeDef linkNode;
    linkNode.NextNode = &linkNode; // 自链接实现循环
    linkNode.BlockSize = WAVE_SIZE;
    linkNode.SrcAddr = (uint32_t)wave_table;
    linkNode.DstAddr = (uint32_t)&DAC1->DHR12R1;
    linkNode.TransferConfig = 0; // 默认配置
    HAL_MDMA_ConfigLinkNode(&hmdma_dac1_ch1, &linkNode);
    HAL_MDMA_EnableLinkNode(&hmdma_dac1_ch1, &linkNode);
}

注意：CubeMX 的 MDMA 初始化可能不包含链表配置，需手动添加。实际应用中，也可使用普通模式并配合 DMA 循环模式，但 MDMA 链表更灵活。

3. 启动波形生成

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    MX_DAC1_Init();
    MX_TIM6_Init();
    MX_MDMA_Init();

    generate_sine_wave();

    // 启动 DAC 的 DMA 请求
    HAL_DAC_Start_DMA(&hdac1, DAC_CHANNEL_1, (uint32_t*)wave_table, WAVE_SIZE, DAC_ALIGN_12B_R);
    // 注意：HAL_DAC_Start_DMA 会配置普通 DMA，但这里我们使用 MDMA，因此需手动启动 MDMA 和定时器
    // 替代方案：直接启动 MDMA 和 DAC
    HAL_MDMA_Start(&hmdma_dac1_ch1, (uint32_t)wave_table, (uint32_t)&DAC1->DHR12R1, WAVE_SIZE, 0);
    HAL_DAC_Start(&hdac1, DAC_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_Base_Start(&htim6);

    while (1) {
        // CPU 可执行其他任务，波形自动生成
    }
}

注意：HAL_DAC_Start_DMA 会占用普通 DMA，与 MDMA 冲突，因此应使用 HAL_DAC_Start 启动 DAC，并手动启动 MDMA。

注意事项

  • 数据对齐：DAC 数据寄存器为 12 位右对齐，写入时需左移 4 位或使用 16 位数据，但 DAC 会忽略高 4 位，因此直接写入 12 位值即可。
  • MDMA 与 DMA 区别：MDMA 的请求线可能不同于普通 DMA，需查阅数据手册确认 DAC 的 MDMA 请求映射。
  • 缓存一致性：若波形表位于 SRAM，且 CPU 修改后需刷新缓存（如使用 SCB_CleanDCache），否则 MDMA 可能读到旧数据。
  • 定时器频率：采样率 = 定时器时钟 / (预分频+1) / (自动重载+1)，确保不超过 DAC 最大转换速率（STM32H7 可达 1MSPS）。
  • 循环模式：使用链表自链接实现循环传输，否则传输一次后停止。
  • 中断处理：若需动态改变波形，可在 MDMA 传输完成中断中修改链表地址或波形表内容，但需注意时序。

总结

通过 MDMA 与 DAC 的协同，STM32H7 可以高效生成任意波形，CPU 负载几乎为零。本文提供了从原理到实现的完整指南，开发者可在此基础上扩展多通道、动态波形更新等功能，适用于信号发生器、音频播放等场景。