Raspberry Pi Pico SDK中PIO与DMA的16位数据传输问题解析

概述

在使用Raspberry Pi Pico SDK进行PIO(可编程输入输出)与DMA(直接内存访问)的16位数据传输时，开发者可能会遇到数据丢失或错位的问题。本文将深入分析这一问题的根源，并提供完整的解决方案。

问题现象

当尝试通过PIO的IN指令将数据通过DMA传输到内存缓冲区时，开发者可能会观察到以下异常现象：

1. 数据传输过程中出现周期性停顿
2. 缓冲区数据被清零而非接收预期数据
3. 16位数据传输时出现数据错位或间隔零值
4. 系统在运行一段时间后停止响应

根本原因分析

经过深入排查，发现问题主要由以下几个因素导致：

1. DMA请求配置错误：初始代码中pio_get_dreq的最后一个参数设置为true(针对TXF)，而实际上应该为false(针对RXF)。

2. DMA地址对齐问题：16位数据传输需要特殊处理FIFO缓冲区的地址对齐。

3. 自动推送配置冲突：PIO的自动推送功能与手动推送操作产生冲突。

完整解决方案

1. 正确的PIO程序配置

pio_sm_config config = test_program_get_default_config(offset);
sm_config_set_sideset_pins(&config, PIN_DEBUG);
pio_sm_set_consecutive_pindirs(pio, sm, PIN_DEBUG, 1, true);
pio_sm_init(pio, sm, offset, &config);
pio_gpio_init(pio, PIN_DEBUG);
sm_config_set_in_shift(&config, true, true, 16); // 16位移位
sm_config_set_in_pins(&config, PIN_D0); // 设置输入引脚

pio_sm_init(pio, sm, offset, &config);
pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);

2. 正确的DMA配置

// 获取DMA通道
dma_chan = dma_claim_unused_channel(true);

// DMA配置
dma_config = dma_channel_get_default_config(dma_chan);
channel_config_set_transfer_data_size(&dma_config, DMA_SIZE_16); // 16位传输
channel_config_set_read_increment(&dma_config, false); // 读取地址不递增
channel_config_set_write_increment(&dma_config, true); // 写入地址递增
// 关键点：使用false参数配置RXF的DMA请求
channel_config_set_dreq(&dma_config, pio_get_dreq(pio, sm, false));

// 关键点：使用(io_rw_16*)类型转换并偏移1个16位单元
dma_channel_configure(
    dma_chan,
    &dma_config,
    &buffer,
    (io_rw_16*)&pio->rxf[sm] + 1,
    BUFFER_SIZE,
    true
);

3. PIO汇编程序示例

.program test
.side_set 1 opt

.wrap_target
    in x, 16 side 1 [7] ; 从X寄存器读取16位数据
.wrap

技术要点解析

1. DMA请求方向：pio_get_dreq的第三个参数决定DMA请求是针对TXF(发送FIFO)还是RXF(接收FIFO)。对于输入操作必须设为false。

2. 地址对齐处理：使用(io_rw_16*)&pio->rxf[sm] + 1确保从FIFO读取16位数据时地址正确对齐。

3. 移位配置：sm_config_set_in_shift中的第三个参数必须与DMA传输大小匹配(本例中为16)。

4. 自动推送：确保PIO程序中要么使用自动推送，要么完全手动控制推送，避免两者混用导致冲突。

性能优化建议

1. 对于高速数据传输，考虑使用双缓冲技术减少中断处理时间。

2. 适当调整PIO程序中的延迟周期([7])以匹配外设时序要求。

3. 对于大数据量传输，可以考虑使用链式DMA减少CPU干预。

总结

通过正确配置DMA请求方向、处理地址对齐问题以及统一推送方式，可以可靠地实现Pico上PIO与DMA之间的16位数据传输。这一解决方案不仅适用于简单的数据采集场景，也可扩展应用于各种需要高效数据传输的应用中。

开发者在使用Pico SDK进行底层数据传输时，应当特别注意数据类型大小与地址对齐问题，这是确保数据完整性的关键因素。