Cortex-M3内核之位带操作

只看该作者 · 2022-2-24 15:25

位带操作（Bit-Band Operations ），顾名思义，就是开发人员可以单独对CPU寄存器的某一位进行读写操作，这无疑将会简化我们开发代码的难度。我们也许已经在8051单片机中体会到了这种位带操作带来的好处，比喻说我要点亮一盏LED灯(假设这里LED灯的阴极已接地)，通常只需要下面两行代码就可以完全搞定：
   sbit LED=PX^n;    LED=1;    //X的取值范围为0-3，取0时外部加上拉电阻。n的取值范围是0-7。
   这样子，我们只需要使51单片机的I/O口的某一位输出1，就可以点亮LED，而不影响其他管脚，好处显而易见。其实“位带操作”这个概念最初就是在51单片机中提出来的，今天，CM3将这个能力进化。

   CM3使用如下术语来表示位带存储的相关地址：
      （1）位带区：支持位带操作的地址区

      （2）位带别名区：对别名地址的访问最终映射回位带区

   在 CM3中，有两个区中实现了位带。其中一个是 SRAM 区的最低 1MB 范围，第二个则是片内外设区的最低 1MB 范围。这两个区中的地址除了可以像普通的 RAM 一样使用外，它们还都有自己的“位带别名区”，位带别名区把每个比特膨胀成一个 32 位的字——这是只有 LSB 有效的字。当你通过位带别名区访问这些字时，就可以达到访问原始比特的目的。当一个别名地址被访问时，会先把该地址变换成位带地址。对于读操作，读取位带地址中的一个字，再把需要的位右移到 LSB，并把 LSB 返回。对于写操作，把需要写的位左移至对应的位序号处，然后执行一个原子的“读－改－写”过程。

只看该作者 · 2022-2-24 15:26

图1 位带区和位带别名曲的膨胀关系

只看该作者 · 2022-2-24 15:39

图2 位带区和位带别名曲的膨胀关系(表达意思同图1)

只看该作者 · 2022-2-24 15:41

举例：设置地址0x2000 0000 中的第2位，使用位带操作过程如下：

图3 写数据到位带别名区

只看该作者 · 2022-2-24 15:49

图4 从位带别名区读取位

只看该作者 · 2022-2-24 15:50

支持位带操作的两个内存区的范围是：
0x2000_0000‐0x200F_FFFF（ SRAM 区中的最低 1MB）
0x4000_0000‐0x400F_FFFF（片上外设区中的最低 1MB）

只看该作者 · 2022-2-24 15:51

对于STM32F1X系列的32位芯片，到底内部有哪些资源是可以位操作的，不多说，直接上图。

只看该作者 · 2022-2-24 15:52

也就是说，STM32F1X的这些片内外设的寄存器都是可以位操作的。

接下来，我们看一下CM3内核是如何将位带区的某一位映射成别名区地址的。

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（1）对 SRAM 位带区的某个比特，记它所在字节的地址为 A,位序号为 n(0<=n<=7)，则该比特在别名区的地址为： 



  AliasAddr＝ 0x22000000+((A‐0x20000000)*8+n)*4 =0x22000000+ (A‐0x20000000)*32 + n*4



（2）对于片上外设位带区的某个比特，记它所在字节的地址为 A,位序号为 n(0<=n<=7)，则该比特在别名区的地址为： 

  AliasAddr＝ 0x42000000+((A‐0x40000000)*8+n)*4 =0x42000000+ (A‐0x40000000)*32 + n*4



上式中，“ *4”表示一个字为 4 个字节，“ *8”表示一个字节中有 8 个比特。

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只看该作者 · 2022-2-24 15:52

  这里再不嫌啰嗦地举一个例子：
   （1）在地址 0x20000000 处写入 0x3355AACC
   （2）读取地址 0x22000008 。本次读访问将读取 0x20000000，并提取比特 2，值为 1。
   （3）往地址 0x22000008 处写 0 。本次操作将映射成对地址 0x20000000 的“读-改-写”操作（原子的），把比特 2 清 0 。
   （4）现在再读取 0x20000000 ，将返回 0x3355AAC8 （ bit[2] 已清零）。
   位带别名区的字只有 LSB 有意义。另外，在访问位带别名区时，不管使用哪一种长度的数据传送指令（字/半字/字节），都把地址对齐到字的边界上，否则会产生不可预料的结果。

   在C语言中使用位带操作
   不幸的是，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能够使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，最简单的做法就是#define 一个位带别名区的地址。

只看该作者 · 2022-2-24 15:53

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 #define DEVICE_REG0 ((volatile unsigned long *) (0x40000000))

         #define DEVICE_REG0_BIT0 ((volatile unsigned long *) (0x42000000))

         #define DEVICE_REG0_BIT1 ((volatile unsigned long *) (0x42000004))

          ...

        *DEVICE_REG0 = 0xAB; / 地址访问寄存器

          ...

       *DEVICE_REG0 = *DEVICE_

          ...

只看该作者 · 2022-2-24 16:18

  为了简化位带操作，也可以定义一些宏。比如，我们可以建立一个把“位带地址+位序号”转化成别名地址的宏，再建立一个把别名地址转换成指针类型的宏：

      //把“位带地址+位序号”转化成别名地址的宏
         #define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
      //把该地址转换成一个指针
         #define MEM_ADDR(addr) * ((volatile unsigned long *) (adr) )
         #define BIT_ADDR(addr, bitnum) MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))

      在此基础上，我们就可以如下改写代码(STM32F10X)：

         #define PAout(n) BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  //输出

         #define PAin(n)    BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n)  //输入

   现在就可以像操作51单片机一样直接操作单个I/O口了！

   注意：当你使用位带功能时，要访问的变量必须用 volatile 来定义。因为 C 编译器并不知道同一个比特可以有两个地址。所以就要通过 volatile，使得编译器每次都如实地把新的数值写入寄存器，而不会处于优化考虑，在中途使用寄存器来操作数据的副本，直到最后才把副本写回。