STM32H7 零等待代码搬运：MDMA 与双 Bank Flash 交替执行的配置细节
👁 2 阅读 · 2026-08-27 · 嵌入式
在 STM32H7 高性能 MCU 上，从 Flash 执行代码常受等待状态影响，尤其在 480 MHz 主频下。本文深入探讨利用 MDMA（Master DMA）与双 Bank Flash 交替执行技术，实现代码在 Flash Bank 间无缝搬运，达到零等待执行效果。文章详细解析 MDMA 配置、Bank 切换机制、链接脚本调整及中断同步策略，并提供完整代码示例，帮助开发者突破 Flash 性能瓶颈，适用于实时性要求极高的嵌入式应用。
# STM32H7 零等待代码搬运：MDMA 与双 Bank Flash 交替执行的配置细节
## 1. 背景与原理
STM32H7 系列（如 STM32H743）最高主频可达 480 MHz，但内嵌 Flash 的访问速度受限于等待状态（Wait States）。在 480 MHz 下，Flash 需要 7 个等待周期，导致直接从 Flash 取指时 CPU 性能大打折扣。虽然 ART（Adaptive Real-Time）加速器可缓存指令，但面对大代码段或随机跳转时，缓存命中率下降，性能仍受影响。
**双 Bank Flash 交替执行**是一种硬件级优化方案：STM32H7 的 Flash 分为两个独立的 Bank（Bank1 和 Bank2），每个 Bank 拥有独立的读端口。当 CPU 从 Bank1 执行代码时，MDMA 可同时从 Bank2 读取数据或代码，反之亦然。通过交替搬运，可实现代码在 Bank 间“乒乓”切换，使 CPU 始终从当前无等待状态的 Bank 取指，达到零等待执行效果。
**MDMA（Master DMA）** 是 STM32H7 中的高性能 DMA 控制器，支持内存到内存、外设到内存等传输，具有 64 位带宽、双缓冲和链表模式，非常适合大块数据搬运。
## 2. 硬件与软件准备
- 硬件：STM32H743 开发板（如 NUCLEO-H743ZI）
- 软件：STM32CubeIDE（或 Keil MDK）、STM32CubeH7 固件库
- 关键外设：Flash（双 Bank）、MDMA、SysTick 或定时器（用于中断同步）
## 3. 配置步骤
### 3.1 Flash Bank 划分与链接脚本调整
首先，将代码分为两个部分：一部分常驻 Bank1（起始地址 0x08000000），另一部分为待搬运代码（放在 Bank2 的固定区域，但实际执行时会被复制到 Bank1 的 RAM 或另一 Bank）。为简化，我们设计如下：
- Bank1：主程序（固定执行）
- Bank2：存放待搬运的代码块（例如，算法函数）
链接脚本（.ld）需定义两个区域：
```c
MEMORY
{
FLASH_BANK1 (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 1M
FLASH_BANK2 (rx) : ORIGIN = 0x08100000, LENGTH = 1M
RAM (rwx) : ORIGIN = 0x24000000, LENGTH = 512K
}
SECTIONS
{
.text_bank1 :
{
*(.text.main*)
*(.text.*)
} > FLASH_BANK1
.text_bank2 :
{
*(.text.func*)
} > FLASH_BANK2
}
```
注意：实际应用中，待搬运代码需编译为位置无关代码（PIC）或固定地址，以便在 Bank 间移动后仍能正确跳转。
### 3.2 MDMA 配置
MDMA 配置包括通道选择、传输方向、数据宽度、突发模式等。以下代码初始化 MDMA 用于从 Bank2 搬运代码到 Bank1 的 RAM 区域（或另一 Bank 的空闲区）。
```c
#include "stm32h7xx_hal.h"
MDMA_HandleTypeDef hmdma;
void MDMA_Init(void)
{
__HAL_RCC_MDMA_CLK_ENABLE();
hmdma.Instance = MDMA_Channel0;
hmdma.Init.Request = MDMA_REQUEST_MEM2MEM;
hmdma.Init.TransferTriggerMode = MDMA_BUFFER_TRANSFER;
hmdma.Init.Priority = MDMA_PRIORITY_HIGH;
hmdma.Init.Endianness = MDMA_LITTLE_ENDIANNESS_PRESERVE;
hmdma.Init.SourceInc = MDMA_SRC_INC_WORD;
hmdma.Init.DestinationInc = MDMA_DEST_INC_WORD;
hmdma.Init.SourceDataSize = MDMA_SRC_DATASIZE_WORD;
hmdma.Init.DestDataSize = MDMA_DEST_DATASIZE_WORD;
hmdma.Init.DataAlignment = MDMA_DATAALIGN_PACK;
hmdma.Init.BufferTransferLength = 0; // 将在传输前设置
hmdma.Init.SourceBurst = MDMA_SOURCE_BURST_16BEATS;
hmdma.Init.DestBurst = MDMA_DEST_BURST_16BEATS;
hmdma.Init.SourceBlockAddressOffset = 0;
hmdma.Init.DestBlockAddressOffset = 0;
hmdma.Init.SourceLinkAddress = 0;
hmdma.Init.DestLinkAddress = 0;
hmdma.Init.SourceTransferConfig = MDMA_SOURCE_TRANSFER_16BEATS;
hmdma.Init.DestTransferConfig = MDMA_DEST_TRANSFER_16BEATS;
hmdma.Init.SourceAddress = (uint32_t)0x08100000; // Bank2 起始
hmdma.Init.DestinationAddress = (uint32_t)0x24000000; // RAM 目标
hmdma.Init.BlockDataLength = 0; // 将在传输前设置
HAL_MDMA_Init(&hmdma);
}
```
### 3.3 双 Bank 切换与执行流程
核心思想：当 CPU 从 Bank1 执行时，MDMA 将 Bank2 中的代码搬运到 RAM（或 Bank1 的空闲区），搬运完成后通过中断通知 CPU 跳转到新代码执行；同时，CPU 可继续从 Bank1 执行其他任务。
实现步骤：
1. 系统启动后，CPU 从 Bank1 执行主程序。
2. 主程序初始化 MDMA，并配置传输（源为 Bank2 代码区，目标为 RAM 中的执行区）。
3. 启动 MDMA 传输，同时 CPU 继续执行 Bank1 中的其他代码（如初始化外设）。
4. MDMA 传输完成，触发中断。在中断服务函数中，设置一个标志，主循环检测到标志后，通过函数指针跳转到 RAM 中的代码执行。
5. 当 RAM 中的代码执行完毕（或需要切换回），可反向操作：将 Bank1 中的代码搬运到 RAM 的另一区域，实现交替。
### 3.4 完整代码示例
以下示例演示了如何将 Bank2 中的函数 `my_function` 搬运到 RAM 并执行。
```c
// 定义函数指针类型
void (*func_ptr)(void);
// 在 Bank2 中定义的函数（需编译到指定地址）
__attribute__((section(".text_bank2"))) void my_function(void)
{
// 执行一些计算
volatile int i;
for (i = 0; i < 1000; i++);
}
// MDMA 传输完成回调
void HAL_MDMA_IRQHandler(MDMA_HandleTypeDef *hmdma)
{
HAL_MDMA_IRQHandler(&hmdma);
if (hmdma->Instance == MDMA_Channel0) {
// 传输完成，设置标志
extern volatile uint8_t mdma_done;
mdma_done = 1;
}
}
int main(void)
{
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MDMA_Init();
// 设置传输参数
hmdma.Init.SourceAddress = (uint32_t)&my_function; // 源地址（Bank2）
hmdma.Init.DestinationAddress = (uint32_t)0x24000000; // 目标 RAM
hmdma.Init.BlockDataLength = 1024; // 假设函数大小为 1KB
HAL_MDMA_Start_IT(&hmdma, hmdma.Init.SourceAddress, hmdma.Init.DestinationAddress, 1024);
// 同时执行其他任务
while (!mdma_done) {
// 可执行其他初始化
}
// 跳转到 RAM 中的代码执行
func_ptr = (void (*)(void))0x24000000;
func_ptr();
while (1);
}
```
## 4. 注意事项
- **代码重定位**：搬运的代码必须编译为位置无关（PIC）或固定地址，否则跳转时会出现错误。可使用 `-fPIC` 或手动指定地址。
- **缓存一致性**：MDMA 传输后，需确保 CPU 的 I-Cache 和 D-Cache 与 RAM 内容一致。在跳转前执行 `SCB_InvalidateICache()` 和 `SCB_CleanDCache()`。
- **中断优先级**：MDMA 中断应设为高优先级，避免传输完成信号延迟。
- **Flash 擦写限制**：在搬运过程中，避免对源 Bank 进行擦写操作，否则会导致数据损坏。
- **双 Bank 同步**：若使用 Bank 交替，需确保 CPU 当前执行的 Bank 与 MDMA 操作的 Bank 不同，否则会引发总线冲突。
- **性能测试**：实际性能提升取决于代码大小和缓存命中率，建议使用 `DWT->CYCCNT` 测量执行周期。
## 5. 总结
通过 MDMA 与双 Bank Flash 交替执行，STM32H7 可以显著减少 Flash 等待状态带来的性能损失。本文提供了从链接脚本到 MDMA 配置的完整流程，并给出了可运行示例。开发者可根据实际需求调整搬运策略，实现代码的零等待执行，适用于高速实时控制、信号处理等场景。