STM32 I2C DMA传输实现方法：从零实现

STM32 I2C + DMA 实战指南：如何让CPU“躺平”也能高效通信

你有没有遇到过这样的场景？
系统里接了五六个I2C传感器，定时轮询采集数据。结果发现主循环卡顿、中断满天飞，CPU占用率飙到80%以上——而真正干的活，不过是读几个字节。

问题出在哪？
传统轮询或中断方式处理I2C通信，在面对批量数据时，成了系统的性能瓶颈。

那有没有办法让CPU少操点心，把数据搬运这种“体力活”交给别人干？

答案是：用DMA（Direct Memory Access）配合STM32的硬件I2C外设。

今天我们就来手把手实现一个稳定、高效、低负载的I2C-DMA传输方案，让你的MCU在后台默默完成通信任务，主线程该干嘛干嘛。

为什么需要 I2C + DMA？

先说个现实：很多开发者还在用HAL_I2C_Master_Transmit()这类阻塞函数做I2C通信。这在调试阶段没问题，但一旦上项目，尤其是多设备、高频次采集的场景下，就会暴露三大痛点：

1. CPU占用太高：每发/收一字节都要进中断或轮询标志位；
2. 实时性差：长数据包传输期间，其他任务被严重延迟；
3. 容易丢数据：若中断响应不及时，RXDR寄存器可能溢出。

而DMA的出现，就是为了解决这些“脏活累活”。它像一个专职搬运工，当I2C准备好收发数据时，自动从内存搬数据到外设（或反过来），全程无需CPU插手。

✅目标效果：一次配置，启动传输 → CPU去跑GUI、处理算法 → 数据传完后打个招呼：“老板，活干完了。”

硬件机制拆解：I2C 和 DMA 是怎么搭上线的？

I2C 外设的关键角色

STM32的I2C不是软件模拟的GPIO翻转，而是独立硬件模块，支持：

• 自动产生起始/停止信号
• 地址匹配与ACK控制
• 错误检测（NACK、总线冲突等）
• 最关键的是：能发出DMA请求

具体来说：
- 当TXDR为空（发送寄存器空），I2C会触发一个DMA请求，告诉DMA：“我可以发数据了，快给我送！”
- 当RXDR有数据（接收寄存器非空），也会触发DMA请求：“我收到字节了，快帮我拿走！”

这两个事件分别对应I2C_TXE和I2C_RXNE中断源，只不过我们不用它们来进中断，而是用来“唤醒”DMA。

DMA 控制器做了什么？

DMA的本质是外设和内存之间的直通隧道。只要配置好路线图，它就能自己搬数据。

以STM32F4为例，DMA1有6个通道，每个通道可以绑定不同的外设请求源。比如：

只要你在代码中开启TXDMAEN和RXDMAEN位，I2C一有需求就会拉高这个请求线，DMA立刻响应，开始搬运。

整个过程如下图所示（文字描述版）：

[内存缓冲区] ←→ [DMA控制器] ←→ [I2C外设] ←→ [SDA/SCL总线] ←→ [从机]

• 写操作：DMA 把 tx_data[] 搬到 I2C_TDR
• 读操作：DMA 把 I2C_RDR 搬到 rx_data[]

CPU只负责三件事：
1. 配置参数
2. 启动传输
3. 收到完成通知后处理结果

其余时间，它可以休眠、调度任务、跑RTOS……完全解放！

核心实现步骤详解

下面我们将基于STM32 HAL库 + STM32F4系列平台，一步步搭建I2C-DMA通信框架。

第一步：初始化 I2C 外设

I2C_HandleTypeDef hi2c1; void MX_I2C1_Init(void) { hi2c1.Instance = I2C1; hi2c1.Init.ClockSpeed = 400000; // 400kHz 快速模式 hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2; // 标准占空比 hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0x00; // 主机模式，无需自地址 hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT; hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE; hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE; hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE; // 允许时钟延展 if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK) { Error_Handler(); } // ⚠️ 关键一步：使能DMA请求 __HAL_I2C_ENABLE_DMA_REQ(&hi2c1, I2C_DMA_REQ_TX); __HAL_I2C_ENABLE_DMA_REQ(&hi2c1, I2C_DMA_REQ_RX); }

🔍 注意事项：
-NoStretchMode设为DISABLE表示允许从机拉低SCL进行时钟延展，更兼容老旧器件。
- 若你的EEPROM写入慢，建议打开此功能避免超时。

第二步：配置并关联 DMA 通道

DMA_HandleTypeDef hdma_i2c1_tx; DMA_HandleTypeDef hdma_i2c1_rx; void MX_DMA_Init(void) { __HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE(); // === TX DMA 配置：内存 → 外设 === hdma_i2c1_tx.Instance = DMA1_Stream6; hdma_i2c1_tx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_1; hdma_i2c1_tx.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH; hdma_i2c1_tx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; // 外设地址不变 hdma_i2c1_tx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; // 内存地址递增 hdma_i2c1_tx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; // 字节对齐 hdma_i2c1_tx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE; hdma_i2c1_tx.Init.Mode = DMA_NORMAL; // 单次传输 hdma_i2c1_tx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH; hdma_i2c1_tx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE; if (HAL_DMA_Init(&hdma_i2c1_tx) != HAL_OK) { Error_Handler(); } // 将DMA句柄链接到I2C句柄 __HAL_LINKDMA(&hi2c1, hdmatx, hdma_i2c1_tx); // === RX DMA 配置：外设 → 内存 === hdma_i2c1_rx.Instance = DMA1_Stream5; hdma_i2c1_rx.Init.Channel = DMA_CHANNEL_1; hdma_i2c1_rx.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY; hdma_i2c1_rx.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE; hdma_i2c1_rx.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE; hdma_i2c1_rx.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_BYTE; hdma_i2c1_rx.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_BYTE; hdma_i2c1_rx.Init.Mode = DMA_NORMAL; hdma_i2c1_rx.Init.Priority = DMA_PRIORITY_HIGH; hdma_i2c1_rx.Init.FIFOMode = DMA_FIFOMODE_DISABLE; if (HAL_DMA_Init(&hdma_i2c1_rx) != HAL_OK) { Error_Handler(); } __HAL_LINKDMA(&hi2c1, hdmarx, hdma_i2c1_rx); }

💡 提示：
- 使用__HAL_LINKDMA()宏非常关键，否则HAL库不知道哪个DMA属于哪个I2C。
- Stream选择要查参考手册（RM0090），确保没有与其他外设冲突。

第三步：发起非阻塞传输

现在一切就绪，只需调用两个函数即可启动DMA传输：

uint8_t tx_data[] = {0x01, 0x02, 0x03}; uint8_t rx_data[3]; uint8_t slave_addr = 0xA0; // 7位地址左移+写标志（例如AT24C02） // 发送命令（如写寄存器地址） if (HAL_I2C_Master_Transmit_DMA(&hi2c1, slave_addr, tx_data, 3) != HAL_OK) { Error_Handler(); } // 接收数据 if (HAL_I2C_Master_Receive_DMA(&hi2c1, slave_addr | 0x01, rx_data, 3) != HAL_OK) { Error_Handler(); }

注意：
- 第一个参数是I2C句柄
- 第二个是从机地址（7位格式）
- 第三个是缓冲区指针
- 第四个是数据长度（单位：字节）

传输一旦开始，函数立即返回，CPU继续执行后续代码。

第四步：通过回调处理完成事件

既然不阻塞，那怎么知道什么时候传完了？靠回调函数！

void HAL_I2C_MasterTxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c) { if (hi2c->Instance == I2C1) { // 发送完成，可点亮LED或启动下一轮操作 HAL_GPIO_WritePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin, GPIO_PIN_SET); } } void HAL_I2C_MasterRxCpltCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c) { if (hi2c->Instance == I2C1) { // 接收完成，处理数据 Process_Received_Data(rx_data, 3); } } void HAL_I2C_ErrorCallback(I2C_HandleTypeDef *hi2c) { if (hi2c->Instance == I2C1) { // 出错了！可能是NACK、BUSY、总线锁死 printf("I2C Error occurred!\n"); // 尝试恢复：关闭再重新初始化 HAL_I2C_DeInit(hi2c); MX_I2C1_Init(); } }

✅ 回调机制的优势：
- 不阻塞主线程
- 可扩展性强（可用于RTOS消息队列、事件组等）
- 易于集成进状态机或协议栈

实际应用场景：多传感器采集系统

设想这样一个工业监测节点：

• 连接 BME280（温湿度压强）、SHT30、光照传感器、EEPROM
• 每秒采集一次，每次读取约15字节数据
• 主控需同时刷新OLED屏幕、上传数据到LoRa模块

如果使用普通中断方式，每秒将触发上百次中断，系统几乎无法响应。

换成 I2C-DMA 后呢？

🧩 组合玩法建议：
- 结合定时器触发采集
- 在DMA完成回调中启动下一设备读取，形成链式操作
- 加入超时守护任务（FreeRTOS中可用软件定时器）

常见坑点与避坑秘籍

❌ 坑点1：DMA传输没反应？

• 检查是否调用了__HAL_LINKDMA()
• 检查DMA Clock是否使能（__HAL_RCC_DMA1_CLK_ENABLE()）
• 检查Stream编号是否正确（不同型号映射不同）

❌ 坑点2：第一次正常，第二次失败？

• 可能是DMA未重置。建议每次传输前检查状态：
  c if (hi2c1.State == HAL_I2C_STATE_READY) { HAL_I2C_Master_Transmit_DMA(...); }

❌ 坑点3：读不到数据，总是NACK？

• 检查从机地址是否正确（7位还是8位？写0xA0还是0x50？）
• 上拉电阻是否足够强（典型值4.7kΩ）
• 总线是否有干扰或短路

✅ 秘籍1：提升稳定性的小技巧

• 在错误回调中加入SCL打拍恢复逻辑（手动输出SCL脉冲释放BUSY状态）
• 使用HAL_I2C_IsDeviceReady()检测从机是否就绪
• 设置合理的超时时间（即使DMA不阻塞，高层协议也应防死锁）

✅ 秘籍2：低功耗设计中的妙用

// 启动DMA读取后，让CPU进入Sleep模式 HAL_I2C_Master_Receive_DMA(&hi2c1, addr, buf, len); HAL_PWR_EnterSLEEPMode(PWR_MAINREGULATOR_ON, PWR_SLEEPENTRY_WFI); // WFI唤醒后继续执行

DMA在后台工作，CPU休眠，直到传输完成产生中断才唤醒 —— 完美平衡性能与功耗。

总结：这才是现代嵌入式开发该有的样子

回到最初的问题：为什么要折腾I2C+DMA？

因为我们要构建的是健壮、高效、可扩展的系统，而不是靠“凑合能用”的代码堆出来的半成品。

通过本次实战，你应该已经掌握：

• 如何让I2C摆脱CPU束缚，实现后台静默传输
• 如何利用HAL库快速搭建DMA通信链路
• 如何通过回调机制实现异步处理
• 如何规避常见陷阱，提升系统鲁棒性

这项技术不仅适用于传感器读取，还可拓展至：
- EEPROM大批量读写
- OLED屏幕刷新（配合SPI-DMA）
- 音频I2S数据流传输
- 多节点I2C级联控制系统

当你学会把“数据搬运”这件事交给DMA，你就真正迈入了资源协同调度的大门。

下次当你面对一个新的通信需求，别再问“怎么最快写出来”，而是想想：“能不能让它自己跑？”

如果你正在做一个低功耗物联网终端、工业网关或者智能仪表，欢迎在评论区分享你的I2C应用场景，我们一起探讨最佳实践！