STM32 M3内核的位带操作原理及步骤

STM32 M3内核的位带操作原理及步骤

一、位带操作有什么用？什么是位带操作

位带操作的作用：可以实现对某一GPIO口寄存器（或SRAM内存中）的某一bit位直接写0或1，达到控制GPIO口输出（或改变SRAM中这一bit位的值）；就如同51单片机控制GPIO口一样的方便。比如：

51：P1^0=1；  //把P1口的第一个引脚设置为高电平

STM32：PAout(0)=1;   //把PA口的第一个引脚设置成高电平

位带操作的原理：在 CM3 中，有两个区中实现了位带，如下图，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（1bit）膨胀成一个 32 位(4个字节)。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。1MB位带区对应32MB位带别名区(1byte=8bit映射成8*4byte=32byte)。

位带区和位带别名区的映射如下图：

位带区：支持位带操作的地址区

位带别名：对别名地址的访问最终作用到位带区的访问上（这中途有一个地址映射过程）

映射过程举例如下：

要设置0x2000 0000这个字节的第二个位bit2为1,使用位带操作的步骤有：1、将1写入位    带别名区对应的映射地址（即0x22000008,因为1bit对应4个byte）；2、将0x2000 0000的值    读取到内部的缓冲区（这一步骤是内核完成的，属于原子操作，不需要用户操作）；3、将bit2    置1，再把值写 回到0x2000 0000(属于原子操作，不需要用户操作)。

映射过程总结：在位带区中，每个比特都映射到别名地址区的4个字节——且4个字节只有最低位有效。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4个字节（因为数据总线是32位的，寄存器也是32位的，所以是读4个字节），再把需要的位右移到最低有效位，并把最低有效位返回（相当于将位带区的值右移再做与操作）。对于写操作，把需要写的位左移至对应的位序号处（相当于把1(或0)左移n(n为该bit位所在的位置)位再和位带区的值做与操作），然后执行一个原子的“读－改－写”过程。

位带操作的优点：1、操作简单；2、因为进行的是原子操作，可以防止对寄存器的脏写。

二、位带操作的代码实现解析

这部分内容参考《STM32F3与F4系列Cortex M4内核编程手册》，先贴原文：

A word access to the SRAM or peripheral bit-band alias regions map to a single bit in the SRAM or peripheral bit-band region.

Bit band accesses can use byte, halfword, or word transfers. The bit band transfer size matches the transfer size of the instruction making the bit band access.

The following formula shows how the alias region maps onto the bit-band region:

bit_word_offset = (byte_offset x 32) + (bit_number x 4)

bit_word_addr = bit_band_base + bit_word_offset

Where:

• Bit_word_offset is the position of the target bit in the bit-band memory region.

•      Bit_word_addr is the address of the word in the alias memory region that maps to the

targeted bit.

•      Bit_band_base is the starting address of the alias region.

•      Byte_offset is the number of the byte in the bit-band region that contains the targeted

bit.

• Bit_number is the bit position, 0-7, of the targeted bit.

这段英文介绍了位带区和位带别名区的地址映射关系。要获得某个位带区地址在位带别名区的映射地址，按照上面的公式即可求出。下面一一解释：

bit_word_offset：基于位带别名区起始地址的偏移；

bit_word_addr：映射在位带别名区的地址（即为所求的地址）；

Bit_band_base：位带别名区的起始地址，如下图中编号3所示；

Byte_offset：该字节(或32位字)相对于位带区起始地址的偏移；

Bit_number：该bit位在所在字节(或32位字)中的位置，范围0~7(0~31)，如下图中编号1所示；

bit_number x 4：4表示一bit位在位带别名区占4个字节的地址空间

下面用实例来进行叙述：

参考资料中的实例：

1、位带区起始地址在位带别名区的地址映射：

The alias word at 0x2200001C maps to bit[7] of the bit-band byte at 0x20000000:

0x2200001C = 0x22000000+ (0*32) + (7*4)

2、位带区结束地址在位带别名区的地址映射：

The alias word at 0x23FFFFED maps to bit[0] of the bit-band byte at 0x200FFFFF:

0x23FFFFED = 0x22000000 + (0xFFFFF*32) + (0*4)

下面解释一下，0x00000~0xFFFFF为1MB的地址；0~7表示一个字节中某一bit位的位置；0x2200 0000表         示位带别名区的起始地址；0xFFFFF*32=0xFFFFF*8*4，表示0xFFFFF*8个bit位在位带别名区所占的地址空间。

代码中的实例分析：

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

#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+20)  //0x40020014表示GPIOA->ODR寄存器的地址

#define BIT_ADDR(addr, bitnum)   MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))

#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))

#define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr))

上面的宏定义合成一条：

#define   PAout(n) \

*((volatile unsigned long *)(( GPIOA_ODR_Addr & 0xF0000000)+0x2000000+(( GPIOA_ODR_Addr &0xFFFFF)<<5)+(n<<2))

其中：

GPIOA_ODR_Addr & 0xF0000000=0x4000 0000

(GPIOA_ODR_Addr &0xFFFFF)<<5=0x0002 0014*32

n<<2=n*4

即：PAout(n)= 0x4000 0000+0x2000000+0x0002 0014*32+ n*4

=0x4200 0000+0x0002 0014*32+ n*4

看到这里应该就能看出，这个公式和参考手册中的公式是一样的，是不是很简单！

接下来说下位带操作编程步骤，拿GPIO口举例：

一、宏定义GPIO口输入输出寄存器地址

二、找到位带区起始地址和位带别名区起始地址

三、根据公式做地址换算

四、宏定义PA(n)~PI(n)