[stm32] ADC & DMA 이론 정리

🐳 ADC란? (Analog - to - Digital Converter)

MCU에서 처리가 불가능한 아날로그 신호가 들어왔을 때 처리가 가능한 디지털 신호(1 또는 0)로 바꿔주는 장치이다.   
대부분의 MCU에는 ADC 장치가 내장되어 있다.

아날로그 신호 vs 디지털 신호

🐳 아날로그 신호 -> 디지털 신호 변환 방법

아날로그 신호 -> 디지털 신호로 변환하기 위해서 1) 필터링 -> 2) 샘플링 -> 3) 양자화 -> 4) 부호화 과정을 거쳐야 하며
각 과정에 대한 설명은 아래와 같다.

1. 필터링

아날로그 신호에서 원하는 대역을 설정해 원치 않게 들어온 원하지 않는 대역의 신호(노이즈 신호)를 제거한다.

2.샘플링

필터링된 신호를 x축(시간) 기준으로 쪼개고 쪼갠 시간에 따른(x값에 따른) y 값들을 얻는다. 
(※ 많이 쪼갤수록 아날로그 신호와 근사한 값을 얻을 수 있으나 너무 많이 쪼개면 변환이 오래 걸릴 수 있다.)

3 양자화 & 부호화

샘플링을 통해 얻은 y축 값들을 1byte 단위로 표현할 수 있는 가장 가까운 값으로 매칭시킨 후(e.g. 12.345123 -> 12)
0과 1로 이루어진 데이터로 부호화하여 디지털 값을 얻는다.
(※ 컴퓨터 데이터 주소 단위는 1byte(8bits) 이며 예를 들어 12라는 값을 부호화하면 11110100이 된다.)   

 

🐳 F429zi ADC block diagram

Block 다이어그램을 보면 대략적으로 아래와 같은 과정을 거친다. 
1. ADC1 ~ ADC 15 GPIO ports로부터 외부 아날로그 신호를 입력받는다.
2. 입력받은 신호가 ADC Converter에 의해 변환된다.
(※ Regular Channel : 일반적인 경우, Injected Channel : 추가적인 설정이 필요한 경우)
3. 변환된 신호가 data register에 담긴다.

 

🐳 DMA(Direct Memory Access) 란?

일반적으로 MCU에서 특정한 작업을 수행할 때  
1) CPU 레지스터에 처리할 데이터 추가 -> 2) 메모리에서 해당 데이터 로드 및 작업 수행
2개의 과정을 거쳐 작업을 수행하게 되는데 1번 과정 없이(CPU 부하 없이) 바로 메모리에 데이터를 전달하여
바로 작업을 할 수 있게 해주는 것이 DMA이다.  

 

🐳 F429zi DMA Block Diagram

F429zi Block Diagram

첫 번째로 F429zi의 경우 위 그림과 같은 동일한 구조의 DMA가 2개 존재하며 
하나의 DMA 당 8개의 스트림이 존재하며 이 스트림은 다시 8개의 채널을 가진다.
(※ 채널은 DMA 컨트롤러에 있는 데이터를 전송할 수 있는 물리적인 통로 개념이고
     스트림은 채널로 부터 들어온 데이터들이 연속적으로 흘러 arbiter에 들어가는 추상적인 개념인것 같다.) 
DMA 채널들은 각각 사용 용도가 아래와 같이 정해져 있으며 각 채널의 용도에 맞춰 사용해야 한다.  

두 번째로 각 채널을 통해 들어온 데이터는 arbiter에 의해 관리되며 필요한 여러 작업을 거쳐 출력 포트에 전송된다.
(※ Arbiter : DMA 채널 간 우선순위를 결정, 충돌을 관리 등의 작업을 하는 하드웨어 장치)

세 번째로 메모리로 연결된 AHB 메모리 포트와 주변 장치에 연결되는 AHB 주변 장치 포트 2개의 출력 포트가 존재하여 
주변기기 - 메모리, 메모리 - 주변기기, 메모리 - 메모리 끼리 데이터 전송이 가능하다. (해당 경우에는 DMA2만) 

 

네 번째로 AHB slave 포트를 통해 사용자가 각 레지스터에 접근하고 DMA 컨트롤러를 설정하여 데이터를 전달할 수 있다.

DMA2 스트림별 채널 용도 테이블