STM32的位带操作分析

只看该作者 · 2019-6-17 15:29

8051单片机可以直接对某一位IO进行读写操作，而Cortex-M3的位带操作是8051位寻址区的加强版。使用位带操作后，可以使用普通的加载/存储指令对单一的比特进行读写操作。
一、相关概念。
位带区：支持位带操作的地址区。
位带别名区：对别名地址的访问最终作用到位带区的访问上。位带别名区对位带区的访问有个地址映射过程。

二、位带操作的原理
位带操作的最终目的是想对位带区的比特位进行独立的读写操作。但它是通过对位带别名区的操作来实现的。
具体过程如下：
对位带别名区进行读写访问，位带别名区通过地址映射关系映射到相应的位带区，对位带区进行原始比特的读写操作。

三、地址映射
上面对位带操作进行了简单的介绍，那么哪些地址支持位带操作？它们对应的位带别名区地址又是多少？两者间的地址映射关系又是怎么样的？
1、支持位带操作的地址
Cortex-M3有两个区支持位带操作。这两个区除了像普通的RAM一样使用外，还可以通过位带别名区进行操作。这两个区(位带区)分别是：
SRAM区中的最低1MB：0x2000 0000 - 0x200F FFFF
片上外设去中的最低1MB：0x4000 0000 - 0x400F FFFF
这两个位带区对应的位带别名区是：
SRAM区中的最低1MB的位带区对应的位带别名区：

片上外设去中的最低1MB的位带区对应的位带别名区：

2、位带区与位带别名区的地址映射关系
位带别名区把位带区的每一个比特位膨胀成32位的字，即位带区的每一个比特位对应位带别名区中一个4个字节大小的地址。
下图示例SRAM区中的最低1MB的位带区与位带别名区的膨胀对应关系：

计算公式：
对于SRAM位带区的某个比特，记它所在字节地址为A，比特位序号为n(0<=n<=7)，则该比特位对应的位带别名区的地址为：

对于片上外设位带区的某个比特，记它所在字节地址为A，比特位序号为n(0<=n<=7)，则该比特位对应的位带别名区的地址为：

说明：“*4”表示一个字为4个字节，“*8”表示一个字节中有8个比特。

四、读写操作的机制
在位带区中，虽然每个比特位都映射到别名区的一个字，但别名区的字只有LSB（最低位有效）有效，所以读写操作是对别名区字的LSB进行读写，LSB的数值是0或1.
1、读流程：

举例子：
读取SRAM地址0x2000 0000 的第二位的值：

2、写流程：读、改、写

举例子：
将SRAM地址0x2000 0000 的第二位的值置1：

五、位带操作编程实现
在C编译器中并没有直接支持位带操作，比如，C编译器并不知道同一块内存可以用不同的地址来访问，也不知道对位带别名区的访问只对LSB有效。欲在C中使用位带操作，最简单的做法时#define一个位带别名区的地址。
1、位带操作的宏定义
为了简化位带操作，我们可以建议一个把”位带地址+位序号“转换为别名地址的宏，再建立一个把别名地址转换为指针类型的宏：
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2)) /* 把”位带地址+位序号“转换为别名地址的宏  */
#define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr)) /* 把别名地址转换为指针类型的宏  */
#define BIT_ADDR(addr, bitnum) MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum)) /* 某地址某一位的位带操作的宏  */

2、举个例子
下面以STM32F407的GPIOA->ODR寄存器（地址为0x40020014）为例，通过位带操作进行读写，并与传统方式读写比较，并通过串口将信息发送到控制台显示。代码如下：
头文件定义：
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
#define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr))
#define BIT_ADDR(addr, bitnum) MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))
//IO口地址映射
#define GPIOA_ODR_Addr (GPIOA_BASE+20) //0x40020014
#define PAout(n) BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)
main函数：
int main(void)
{
u8 Temp;
u16 Data;
Data = 0;

Stm32_Clock_Init(336,8,2,7);//初始化时钟为 168Mhz
delay_init(168);  //初始化延时函数
uart_init(84,115200);  //串口初始化为 115200

printf("init finished\r\n");

GPIOA->ODR = 0xffff; /* 传统方式写：将GPIOA->ODR各个位写1 */
printf("Tratidional operate: GPIOA->ODR[0x%x]:0x%x\r\n", &GPIOA->ODR, GPIOA->ODR);
GPIOA->ODR = 0x0; /* 将GPIOA->ODR清零 */
printf("Clear GPIOA->ODR: GPIOA->ODR[0x%x]:0x%x\r\n", &GPIOA->ODR, GPIOA->ODR);

for(Temp = 0; Temp < 16; Temp++)
{
PAout(Temp) = 1; /* 位带操作写：通过位带别名区写GPIOA->ODR每一位为1 */
}
printf("Bit-band write: GPIOA->ODR[0x%x]:0x%x\r\n", &GPIOA->ODR, GPIOA->ODR); /* 可以看到位带操作写后，GPIOA->ODR各位的值 */

for(Temp = 0; Temp < 16; Temp++)
{
Data |= (PAout(Temp) << Temp); /* 位带操作读：通过位带别名区读GPIOA->ODR每一位的值，并存在Data中 */
}
printf("Bit-band read: GPIOA->ODR[0x%x]:0x%x\r\n", &GPIOA->ODR, Data); /* 可以看到位带操作读后，GPIOA->ODR各个比特位对应的别名区的值 */

while(1)
{

}

return 1;
}

串口打印的信息：