详解Cortex-M位带操作
我相信很多朋友在学习单片机之前都学习过51单片机，假设在51单片机的P1.1的IO口上挂了一个LED，那么你单独对LED的操作就是P1.1 = 0或P1.1 = 1，这样你就可以单独的对P1端的第一个IO口进行上下拉操作，然而对于STM32，是没有这种操作的，那么为了像51单片机一样能够单独的对某个端的某一个IO单独操作，就引入了__位带操作__，简而言之，就是为了去单独操作STM32里面PA的第1个IO口，所以才有了位带这样的操作机制。
1 什么是位带操作
在讲解位带操作之前，首先要搞清楚什么是位带操作。我们知道，32位的处理器的32位地址总线提供了4G的地址空间，几乎所有的嵌入式产品是足够用的。 Cortex-M就利用了额外的空间实现了称为位带(Bit-Banding)操作的硬件属性，该技术使用地址空间的两个不同区域来指向同一物理地址 。在主位带区域，每个地址对应一个字节的数据，在“位带别名”区域中，每个地址对应同一个数据的一个位。
如下图所示。在CM3的寄存器映射图中有1MB的 bit band区，这里被称为位带区，与之对应的是32MB的bit band别名区，这里被称为位带别名区。
STM32的位带别名区会把位带区中的每一位膨胀成一个32位的字，所以相应的别名区的内存也会是位带区的32倍。从上图可以看出，位带操作同时支持SRAM和片上外设，支持位带操作的两个内存区域范围如下：
SRAM区：0x20000000 ~ 0x200FFFFF，最低1M的范围；
片上外设区： 0x40000000 ~ 0x400FFFFF，最低1M的范围；
位带操作就是把位带区中一个地址的8个位分别映射到位带别名区的8个地址（LSB有效，即最低位有效），通过操作相应地址的方式实现操作某个位。以SRAM为例，位带区和位带别名区的映射如下图所示：
位带区里每个地址的每1位膨胀为别名区里一个32位的字（32位处理器中，1字=4字节），例如：0x20000000的第0位对应0x22000000，第1位对应0x22000004等。
2 位带操作的计算公式
既然位带操作属于Cortex-M内核的一部分，那么在Cortex-M官方手册也是给出了相应的计算公式的，其通用公式如下：
别名区地址 = 别名区起始地址 + (位字节地址偏移量 * 8 + n) * 4
其中，8表示一个字节有8位，4表示膨胀了4个字节，因此位带区和位带别名区也就是32倍的关系。
两个区的计算公式为：
SRAM区：AliasAddr = 0x22000000 + (A - 0x20000000) * 32 + n * 4
片上外设区：AliasAddr = 0x42000000 + (A - 0x40000000)* 32 + n * 4
其中，AliasAddr是别名区的地址，A是位带区的地址，n是该端口的上的某一位。
接下来就是对这个地址进行操作了，写1，该位输出1，写0，就输出0。
3 位带操作代码实现
这里STM32F1为例，根据STM32的《RM0008 Reference manual》手册，其GPIO的地址映射如下：
GPIOx_ODR 寄存器如下：
每个寄存器32位，占4个地址，在访问或修改某个寄存器时，是从首地址开始的，逻辑运算则是直接可涵盖到32bit，offset 为 0x0C。GPIOA 的首地址为0x40010800，因此GPIOx_ODR 寄存器的地址为0x4001080C。则所有的GPIO映射如下：
//IO口地址映射
#define GPIOA_ODR_Addr (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C
#define GPIOB_ODR_Addr (GPIOB_BASE+12) //0x40010C0C
#define GPIOC_ODR_Addr (GPIOC_BASE+12) //0x4001100C
#define GPIOD_ODR_Addr (GPIOD_BASE+12) //0x4001140C
#define GPIOE_ODR_Addr (GPIOE_BASE+12) //0x4001180C
#define GPIOF_ODR_Addr (GPIOF_BASE+12) //0x40011A0C
#define GPIOG_ODR_Addr (GPIOG_BASE+12) //0x40011E0C
#define GPIOA_IDR_Addr (GPIOA_BASE+8) //0x40010808
#define GPIOB_IDR_Addr (GPIOB_BASE+8) //0x40010C08
#define GPIOC_IDR_Addr (GPIOC_BASE+8) //0x40011008
#define GPIOD_IDR_Addr (GPIOD_BASE+8) //0x40011408
#define GPIOE_IDR_Addr (GPIOE_BASE+8) //0x40011808
#define GPIOF_IDR_Addr (GPIOF_BASE+8) //0x40011A08
#define GPIOG_IDR_Addr (GPIOG_BASE+8) //0x40011E08
上述只是位带区的地址，根据位带操作的计算公式，则操作位带别名区的地址方法如下：
//IO口操作宏定义
#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))
以上代码的第一句是转换的关键，当然相对的前面的计算公式做了优化，也就是将SRAM和片上外设合并在一起。addr & 0XF0000000 得到SRAM和片上外设的首地址，然后加0x2000000表示位带别名区相对位带区的偏移量，(addr &0xFFFFF)<<5)和(bitnum<<2)就是前面“*32”和“*4”，只是换成了移位操作，因为移位操作相对乘法运算速度更快。
好了，接下来使用位带操作来写一个GPIO流水灯，同时使用库函数来做比较。
【main.c】
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f1_bsp_led.h"
/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/*简单延时函数*/
void Delay(uint32_t xms);
/* Private functions ---------------------------------------------------------*/
/**
* @brief 主函数
* @param None
* @retval
*/
int main(void)
{
/* LED 初始化 */
LED_GPIO_Config();
while (1)
{
#if 0
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0); // 亮
Delay(0xfFfff);
GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0); // 灭
GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6); // 亮
Delay(0xfFfff);
GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6); // 灭
GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7); // 亮
Delay(0xffFff);
GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7); // 灭
#else
PBout(0) = 1; // 亮
Delay(0xfFfff);
PBout(0) = 0; // 灭
PGout(6) = 1; // 亮
Delay(0xfFfff);
PGout(6) = 0; // 灭
PGout(7) = 1; // 亮
Delay(0xffFff);
PGout(7) = 0; // 灭
#endif
}
}
/**
* @brief 延时函数
* @param
xms 延时长度
* @retval None
*/
void Delay( uint32_t xms)
{
//for(; nCount != 0; nCount--);（方法一）
while(xms--);//（方法二）
}
【stm32f1_bsp_led.c】
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f1_bsp_led.h"
/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/* Private functions ---------------------------------------------------------*/
/**
* @brief 初始化LED的GPIO
* @param None
* @retval None
*/
void LED_GPIO_Config(void)
{
/*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/*开启LED的外设时钟*/
RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE);
/*设置IO口*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //设置引脚模式为通用推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //设置引脚速率为50MHz
/*调用库函数，初始化GPIOB0*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //选择要控制的GPIOB引脚
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;/*选择要控制的引脚*/
GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);
/* 开启所有led灯*/
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
GPIO_SetBits(GPIOG, GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);
}
【stm32f1_bsp_led.h】
#ifndef __STM32F1_BSP_LED_H__
#define __STM32F1_BSP_LED_H__
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"
/* Exported types ------------------------------------------------------------*/
/* Exported constants --------------------------------------------------------*/
/* Exported macro ------------------------------------------------------------*/
//位带操作,实现51类似的GPIO控制功能
//具体实现思想,参考<
//IO口操作宏定义
#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+12) //0x4001080C
#define GPIOB_ODR_Addr (GPIOB_BASE+12) //0x40010C0C
#define GPIOC_ODR_Addr (GPIOC_BASE+12) //0x4001100C
#define GPIOD_ODR_Addr (GPIOD_BASE+12) //0x4001140C
#define GPIOE_ODR_Addr (GPIOE_BASE+12) //0x4001180C
#define GPIOF_ODR_Addr (GPIOF_BASE+12) //0x40011A0C
#define GPIOG_ODR_Addr (GPIOG_BASE+12) //0x40011E0C
#define GPIOA_IDR_Addr (GPIOA_BASE+8) //0x40010808
#define GPIOB_IDR_Addr (GPIOB_BASE+8) //0x40010C08
#define GPIOC_IDR_Addr (GPIOC_BASE+8) //0x40011008
#define GPIOD_IDR_Addr (GPIOD_BASE+8) //0x40011408
#define GPIOE_IDR_Addr (GPIOE_BASE+8) //0x40011808
#define GPIOF_IDR_Addr (GPIOF_BASE+8) //0x40011A08
#define GPIOG_IDR_Addr (GPIOG_BASE+8) //0x40011E08
//IO口操作,只对单一的IO口!
//确保n的值小于16!
#define PAout(n) BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n) //输出
#define PAin(n) BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n) //输入
#define PBout(n) BIT_ADDR(GPIOB_ODR_Addr,n) //输出
#define PBin(n) BIT_ADDR(GPIOB_IDR_Addr,n) //输入
#define PCout(n) BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n) //输出
#define PCin(n) BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n) //输入
#define PDout(n) BIT_ADDR(GPIOD_ODR_Addr,n) //输出
#define PDin(n) BIT_ADDR(GPIOD_IDR_Addr,n) //输入
#define PEout(n) BIT_ADDR(GPIOE_ODR_Addr,n) //输出
#define PEin(n) BIT_ADDR(GPIOE_IDR_Addr,n) //输入
#define PFout(n) BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n) //输出
#define PFin(n) BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n) //输入
#define PGout(n) BIT_ADDR(GPIOG_ODR_Addr,n) //输出
#define PGin(n) BIT_ADDR(GPIOG_IDR_Addr,n) //输入
#define ON 1
#define OFF 0
/* 带参宏，可以像内联函数一样使用 */
#define LED1(a) if (a) \\
GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);\\
else \\
GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0)
#define LED2(a) if (a) \\
GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6);\\
else \\
GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6)
#define LED3(a) if (a) \\
GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7);\\
else \\
GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7)
/* 直接操作寄存器的方法控制IO */
#define digitalHi(p,i) {p->BSRR=i;} //设置为高电平
#define digitalLo(p,i) {p->BRR=i;} //输出低电平
#define digitalToggle(p,i) {p->ODR ^=i;} //输出反转状态
/* 定义控制IO的宏 */
#define LED1_TOGGLE digitalToggle(GPIOB,GPIO_Pin_0)
#define LED1_ON digitalHi(GPIOB,GPIO_Pin_0)
#define LED1_OFF digitalLo(GPIOB,GPIO_Pin_0)
#define LED2_TOGGLE digitalToggle(GPIOC,GPIO_Pin_4)
#define LED2_ON digitalHi(GPIOG,GPIO_Pin_6)
#define LED2_OFF digitalLo(GPIOG,GPIO_Pin_6)
#define LED3_TOGGLE digitalToggle(GPIOC,GPIO_Pin_3)
#define LED3_ON digitalHi(GPIOG,GPIO_Pin_7)
#define LED3_OFF digitalLo(GPIOG,GPIO_Pin_7)
/* Exported functions ------------------------------------------------------- */
void LED_GPIO_Config(void);
#ifdef cplusplus
}
#endif
#endif /* __STM32F1_BSP_LED_H__ */
不管使用哪种方式，其实验现象都是一样的，但是使用位带操作更方便些，操作者步骤更少，下面举例说明。
实例：欲设置地址 0x2000_0000 中的比特 2，则使用普通操作和位带操作的设置过程如下图所示：
普通操作和位带操作的汇编对比代码如下：
位带读操作相对简单，普通操作和位带操作的设置过程如下图所示：
普通操作和位带操作的汇编对比代码如下：
可以看出位带操作的步骤更少，相对普通操作更简洁。
而且位带操作属于原子操作，在多任务系统中，位带操作可以解决共享资源中的紊乱危象，关于该部分内容可以参看《Cortex-M3权威指南》。
__总的来说，位带的主要优点__是数据的一个单独位可以通过一条指令来读或者写，而不需要操作一些利的寄存器。例如，一条从位带别名区域地址进行读操作的LDR指令会将值0或者1加1载入寄存器。类似的，一条STR指令在向位带别名区的地址写入时，只是修改主区域中数据的一位。当然修改需要由硬件来执行读写操作，但是只有一条指令(STR)被取指并执行。
审核编辑：汤梓红
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