位带操作分析

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：

1. #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  */
   
2. #define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr))                 /* 把别名地址转换为指针类型的宏  */
   
3. #define BIT_ADDR(addr, bitnum)   MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))         /* 某地址某一位的位带操作的宏  */

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2、举个例子
下面以 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：

1. #define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
   
2. #define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr))
   
3. #define BIT_ADDR(addr, bitnum)   MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))
   
4. //IO口地址映射
   
5. #define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+20) //0x40020014
   
6. #define PAout(n)   BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  
   
7. main函数：
   
8. int main(void)
   
9. {
   
10.         u8 Temp;
    
11.         u16 Data;
    
12.         Data = 0;
    
13.        
    
14.          Clock_Init(336,8,2,7);//初始化时钟为 168Mhz
    
15.         delay_init(168);  //初始化延时函数
    
16.         uart_init(84,115200);  //串口初始化为 115200
    
17. 
    
18.         printf("init finished\r\n");
    
19.        
    
20.         GPIOA->ODR = 0xffff;                        /* 传统方式写：将GPIOA->ODR各个位写1 */
    
21.         printf("Tratidional operate: GPIOA->ODR[0x%x]:0x%x\r\n", &GPIOA->ODR, GPIOA->ODR);               
    
22.         GPIOA->ODR = 0x0;                        /* 将GPIOA->ODR清零 */
    
23.         printf("Clear GPIOA->ODR: GPIOA->ODR[0x%x]:0x%x\r\n", &GPIOA->ODR, GPIOA->ODR);
    
24. 
    
25.         for(Temp = 0; Temp < 16; Temp++)
    
26.         {
    
27.                 PAout(Temp) = 1;                /* 位带操作写：通过位带别名区写GPIOA->ODR每一位为1 */
    
28.         }               
    
29.         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 */
    
30. 
    
31.         for(Temp = 0; Temp < 16; Temp++)
    
32.         {
    
33.                 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 */
    
34.         }               
    
35.         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 */
    
36.        
    
37.         while(1)
    
38.         {
    
39.                
    
40.         }
    
41.        
    
42.         return 1;
    
43. }

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串口打印的信息：

位带操作非常实用

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。

位代操作非常重要的操作

Cortex-M3的位带操作非常实用

位带操作确实可以提高访问效率，特别是在需要频繁访问单个位的情况下。这种方式可以减少对总线的占用，提高效率。