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Modern Embedded Recipes · 44/152

임베디드 DMA 기초 — Memory-to-Memory·Peripheral·Circular Mode

· Hawk · 6분 읽기
recipes bare-metal dma

#한 줄 요약

“DMA = CPU 없이 메모리 ↔ 메모리/peripheral 이동.” Source, destination, length, trigger 네 가지만 정하면 됩니다.

#어떤 상황에서 쓰나

UART에서 1 KB를 받거나, ADC로 1024 sample을 모으거나, SPI로 framebuffer를 LCD에 쏟는 작업을 CPU로 처리하면 수십 ms를 날립니다. DMA를 쓰면 CPU는 다른 일을 하면서 peripheral과 메모리 사이 데이터가 흐릅니다. throughput이 늘고 latency는 줄며 power도 줄어듭니다.

이 글은 STM32F4의 DMA controller를 기준으로 peripheral-to-memory, memory-to-peripheral, memory-to-memory 세 가지 패턴을 모두 다룹니다.

#핵심 개념

#DMA architecture

블록역할
DMA ControllerStream0 ~ Stream7, 각 stream은 channel로 trigger source 선택 (UART·SPI·ADC·TIM 등)
AHB busDMA → bus matrix 연결
Bus matrixSRAM과 peripheral로 분기
SRAMdata buffer 위치
Peripheralsource 또는 destination

STM32F4는 DMA1, DMA2 controller 각 8 stream, 각 stream은 8 channel에서 trigger source를 고릅니다. 어느 peripheral이 어느 stream·channel을 쓰는지는 datasheet의 DMA request mapping table을 참조합니다.

#Transfer 모드 세 가지

  • Peripheral → Memory: ADC 결과, UART RX, SPI RX.
  • Memory → Peripheral: UART TX, SPI TX, DAC waveform.
  • Memory → Memory: memcpy 가속 (peripheral trigger 없이 software가 시작).

#Circular vs Normal

  • Normal: 지정한 NDTR만큼 transfer 후 자동 stop.
  • Circular: NDTR 도달 시 처음으로 wrap, 무한 반복. ADC sampling, UART RX buffer에 적합.

#Half/Full complete interrupt

DMA는 NDTR의 절반과 전체에 도달했을 때 IRQ를 발생시킬 수 있습니다. circular buffer를 두 영역으로 나눠 한쪽이 차는 동안 다른 쪽 처리 패턴(double buffering)이 표준입니다.

offset영역trigger eventCPU 동작
0first half (512 B)start(DMA fill 시작)
512(HT 도달)HT IRQprocess first half (A)
1024second half endTC IRQprocess second half (B), wrap

#Data width와 burst

PSIZE / MSIZE = 0 (byte), 1 (halfword), 2 (word)
PBURST / MBURST = single (0), incr4 (1), incr8 (2), incr16 (3)

burst는 bus arbitration overhead를 줄여 throughput을 올립니다. 단, source/destination 모두 burst-capable이어야 합니다.

#Cache coherency (Cortex-M7)

STM32H7·F7은 D-cache를 가집니다. CPU가 cache에 write한 데이터를 DMA가 SRAM에서 읽으면 stale data 위험이 있습니다. cache clean/invalidate를 명시적으로 호출해야 합니다.

SCB_CleanDCache_by_Addr(buf, len);   // CPU write → DMA read 전
SCB_InvalidateDCache_by_Addr(buf, len);   // DMA write → CPU read 전

#코드 예제

#1. ADC → memory (continuous + circular)

#define ADC_BUF_LEN 256
static uint16_t adc_buf[ADC_BUF_LEN];


void adc_dma_init(void) {
    RCC->AHB1ENR |= RCC_AHB1ENR_DMA2EN;
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;


    // DMA2 Stream0, Channel 0 = ADC1
    DMA2_Stream0->CR = 0;
    while (DMA2_Stream0->CR & DMA_SxCR_EN);


    DMA2_Stream0->PAR  = (uint32_t)&ADC1->DR;
    DMA2_Stream0->M0AR = (uint32_t)adc_buf;
    DMA2_Stream0->NDTR = ADC_BUF_LEN;
    DMA2_Stream0->CR   = (0u << 25)              // channel 0
                       | DMA_SxCR_MINC           // memory increment
                       | (1u << 11)              // PSIZE = halfword
                       | (1u << 13)              // MSIZE = halfword
                       | DMA_SxCR_CIRC           // circular
                       | DMA_SxCR_HTIE | DMA_SxCR_TCIE
                       | DMA_SxCR_EN;
    NVIC_EnableIRQ(DMA2_Stream0_IRQn);


    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_DMA | ADC_CR2_DDS | ADC_CR2_CONT | ADC_CR2_ADON;
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;
}


volatile int adc_half_ready, adc_full_ready;


void DMA2_Stream0_IRQHandler(void) {
    uint32_t flags = DMA2->LISR;
    DMA2->LIFCR = flags;
    if (flags & DMA_LISR_HTIF0) adc_half_ready = 1;
    if (flags & DMA_LISR_TCIF0) adc_full_ready = 1;
}


void process_adc(void) {
    if (adc_half_ready) {
        adc_half_ready = 0;
        process(adc_buf, ADC_BUF_LEN/2);          // first half
    }
    if (adc_full_ready) {
        adc_full_ready = 0;
        process(adc_buf + ADC_BUF_LEN/2, ADC_BUF_LEN/2);
    }
}

main은 DMA가 어느 영역을 채우고 있는지 HT/TC flag로만 알면 됩니다.

#2. UART RX circular buffer

#define RX_DMA_LEN 256
static uint8_t rx_dma[RX_DMA_LEN];
static uint16_t rx_dma_read_pos;


void uart_dma_rx_init(void) {
    USART1->CR3 |= USART_CR3_DMAR;


    DMA2_Stream2->PAR  = (uint32_t)&USART1->DR;
    DMA2_Stream2->M0AR = (uint32_t)rx_dma;
    DMA2_Stream2->NDTR = RX_DMA_LEN;
    DMA2_Stream2->CR   = (4u << 25)
                       | DMA_SxCR_MINC
                       | DMA_SxCR_CIRC
                       | DMA_SxCR_EN;
}


// Polling — DMA가 어디까지 썼는지 NDTR로 계산
size_t uart_dma_rx_available(void) {
    uint16_t write_pos = RX_DMA_LEN - (uint16_t)DMA2_Stream2->NDTR;
    if (write_pos >= rx_dma_read_pos)
        return write_pos - rx_dma_read_pos;
    else
        return RX_DMA_LEN - rx_dma_read_pos + write_pos;
}


uint8_t uart_dma_rx_get(void) {
    uint8_t c = rx_dma[rx_dma_read_pos];
    rx_dma_read_pos = (rx_dma_read_pos + 1) % RX_DMA_LEN;
    return c;
}

이 패턴은 IRQ 없이 RX를 무한히 받습니다. CPU는 한가할 때만 buffer를 비웁니다.

#3. Memory-to-memory (software trigger)

void dma_memcpy(void *dst, const void *src, size_t n) {
    DMA2_Stream0->CR = 0;
    while (DMA2_Stream0->CR & DMA_SxCR_EN);


    DMA2_Stream0->PAR  = (uint32_t)src;
    DMA2_Stream0->M0AR = (uint32_t)dst;
    DMA2_Stream0->NDTR = n / 4;
    DMA2_Stream0->CR   = (2u << 6)              // DIR = mem→mem
                       | DMA_SxCR_MINC
                       | DMA_SxCR_PINC
                       | (2u << 11) | (2u << 13)
                       | DMA_SxCR_EN;


    while (!(DMA2->LISR & DMA_LISR_TCIF0));
    DMA2->LIFCR = DMA_LIFCR_CTCIF0;
}

memory-to-memory는 CPU memcpy보다 약간 빠르고 (peripheral bus 별도 사용), CPU 부담이 없습니다. 단 small copy는 setup overhead 때문에 손해.

#측정 / 동작 확인

DMA 동작 확인은 NDTR을 폴링하면 됩니다.

(gdb) p/d DMA2_Stream0->NDTR
$1 = 178           ← 256 → 178로 줄어들고 있음 (78 bytes 전송됨)

ADC sampling은 oscilloscope로 ADC 트리거 핀(TIM2 ETR 등)을 보고, sample rate 일치 확인:

TIM2 → ADC EXT trigger:

  • PA0 trigger: 1 µs period (1 MHz)
  • adc_buf 채우는 속도: 256 sample / 256 µs = 1 sample/µs ✓

DMA가 안 도는 가장 흔한 원인은 peripheral의 DMA enable bit 누락과 clock enable 누락입니다.

#자주 보는 함정

⚠️ Channel 잘못 선택

reference manual의 DMA request mapping은 패밀리마다 다릅니다. F4의 SPI1 RX = DMA2 Stream0/Channel 3, F7도 비슷하지만 다른 SoC는 다릅니다.

⚠️ Stream을 두 peripheral이 동시 사용

stream은 한 시점에 하나의 source만 처리합니다. 두 peripheral이 같은 stream이면 둘 중 하나 포기 (다른 stream으로 옮김).

⚠️ Width 불일치

8-bit PSIZE인데 16-bit MSIZE면 align 오류. 같은 width로 통일이 안전.

⚠️ Buffer가 stack에 있음

local array에 DMA target을 잡으면 함수 return 후 stale. 항상 static 또는 global.

⚠️ Buffer alignment

uint32_t transfer는 4-byte align이 필요합니다. __attribute__((aligned(4))).

⚠️ Cortex-M7 cache coherency

H7·F7에서 DMA가 SRAM에 쓴 데이터를 CPU가 cache hit로 stale read. SCB_InvalidateDCache_by_Addr 필수. 또는 MPU로 buffer 영역만 non-cacheable로 설정.

⚠️ Half-word access가 boundary를 넘김

odd address에 16-bit DMA write → bus fault. address도 width에 맞춰 align.

#정리

  • DMA = source + destination + length + trigger. setup 4가지로 시작.
  • Circular + HT/TC IRQ가 double buffer 패턴의 표준.
  • ADC·UART·SPI 모두 peripheral의 DMA enable bit도 같이 set.
  • Buffer는 static 또는 global, aligned.
  • Cortex-M7은 cache clean/invalidate 또는 MPU non-cacheable.

다음 편은 저전력 모드입니다. Sleep/Stop/Standby와 wake-up source, µA 측정을 다룹니다.

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Modern Embedded Recipes · 45 of 152

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  12. 12 RS-485·RS-422 차동 신호 분석 — Termination·Biasing·Topology
  13. 13 LVDS 차동 신호 분석 — Common-Mode·Impedance·Eye Pattern
  14. 14 ARM Cortex-M 시리즈 비교 — M0·M3·M4·M7·M33·M55 분석
  15. 15 ARM Cortex-A 시리즈 비교 — A53·A55·A72·A78·X1 분석
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  22. 22 ARM TrustZone-M 기초 — Secure/Non-Secure·NSC·MPC
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  24. 24 임베디드 크로스 컴파일러 분석 — GCC·Clang·Sysroot 구성
  25. 25 C 컴파일 4단계 — Preprocess·Compile·Assemble·Link 추적
  26. 26 ELF 파일 구조 분석 — Section·Segment·Symbol Table·DWARF
  27. 27 링커 스크립트 기초 — SECTIONS·MEMORY·entry point
  28. 28 링커 스크립트 고급 — Overlay·BSS·init_array·LMA/VMA
  29. 29 임베디드 스타트업 코드 분석 — Reset_Handler·Vector Table·SystemInit
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  46. 46 저전력 모드 분석 — Sleep·Stop·Standby·Wake-up Source
  47. 47 IWDG·WWDG 워치독 구현 — Independent vs Window 비교
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  52. 52 스테퍼 모터 제어 — Full Step·Half Step·Microstepping
  53. 53 서보 모터 제어 — PWM 1ms~2ms·Closed Loop·PID
  54. 54 Character LCD 제어 — HD44780·4-bit Mode·Custom Char
  55. 55 SPI OLED 제어 — SSD1306·Frame Buffer·Page 단위 갱신
  56. 56 TFT 디스플레이 구동 — RGB565·FSMC·LTDC·DMA2D
  57. 57 환경 센서 활용 — BME280 온습압·SHT3x·BMP180 비교
  58. 58 IMU 센서 활용 — MPU6050·LSM6DSO·Sensor Fusion
  59. 59 CAN 통신 구현 — bxCAN·Filter·Mailbox·CAN-FD
  60. 60 USB Device 기초 — Descriptor·Enumeration·Endpoint·HID/CDC
  61. 61 Ethernet MAC+PHY 통합 — RMII·lwIP·DMA Descriptor
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  63. 63 RTC 활용 — Calendar·Alarm·Wake-up Timer·Backup Domain
  64. 64 RTOS 도입 결정 분석 — Super Loop vs RTOS 트레이드오프
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  66. 66 RTOS Scheduler 동작 분석 — Tick·Context Switch·Yield
  67. 67 RTOS Semaphore 활용 — Binary·Counting·ISR Give
  68. 68 RTOS Mutex 활용 — Recursive·Priority Inheritance 적용
  69. 69 RTOS Queue 활용 — By-Value·By-Reference·Timeout 패턴
  70. 70 RTOS Event Group 활용 — Bit Wait·Sync·Notify
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  73. 73 Priority Inversion 진단·예방 — Mars Pathfinder Lesson 추적
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  87. 87 sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
  88. 88 IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
  89. 89 루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
  90. 90 임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
  91. 91 메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
  92. 92 Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
  93. 93 DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
  94. 94 Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
  95. 95 NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
  96. 96 SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
  97. 97 ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
  98. 98 임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99 임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100 임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101 WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102 Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103 Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104 RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105 Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106 Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107 Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108 Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109 ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110 False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111 MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112 임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113 JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114 GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115 Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116 UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117 임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118 인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119 메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120 타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121 통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122 임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123 임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124 FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125 Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126 PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127 AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128 Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129 Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130 Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131 DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132 PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133 Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134 HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135 Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136 OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137 Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138 Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139 NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140 딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141 TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142 TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143 ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144 Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145 NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146 Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147 온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148 Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149 Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150 PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151 QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152 Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX

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