快速理解STM32位帶操作原理和用途

關(guān)注、星標(biāo)公眾號，不錯過精彩內(nèi)容

作者：strongerHuang

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說到位帶操作，可能很多人比較陌生，但說到控制IO，你肯定不會陌生。有的項目為了最大效率控制IO，使用位帶操作。下面就來簡單說說未帶操作的內(nèi)容。

一、初識位帶操作

Bit-banding簡稱位帶，有人也叫位段。支持位帶操作后，可以使用普通的加載/存儲指令來 對單一的比特進行讀寫 。

很多朋友是從學(xué)習(xí)51單片機過來的，都知道P1.1這個引腳可以單獨控制，我們操作的這個引腳就是一個Bit位。

我們都知道在STM32中不能直接操作寄存器的某一個Bit位，比如單獨控制PA端口輸出數(shù)據(jù)寄存器中的ODR1，如下圖：

STM32F1內(nèi)核Cortex-M3早就考慮到了這個問題，為了能達到直接操作ODR1這類Bit位，就在內(nèi)核中 開辟了一塊地址區(qū)域（位帶別名） ：可以將ODR1這類Bit位（位帶區(qū)）映射到位帶別名區(qū)域對應(yīng)的地址，只需要操作映射后的地址，就可以實現(xiàn)操作這個ODR1位了。

簡單來說就是映射操作，只是這個映射操作有許多約定要遵循。

二、位帶操作中的映射關(guān)系

在Cortex-M3中有兩個區(qū)實現(xiàn)了位帶操作，其中一個是 SRAM區(qū) 的最低 1MB 范圍，第二個則是 片內(nèi)外設(shè)區(qū) 的最低 1MB 范圍。

這兩個區(qū)域如下圖紅色標(biāo)注的區(qū)域：

這兩個1MB將分別映射到另外兩個地址區(qū)域：

1.SRAM區(qū)的最低1MB（0x2000 0000 --- 0x200F FFFF） 映射到（0x2200 0000 --- 0x23FF FFFF）。

2.片內(nèi)外設(shè)區(qū)的最低1MB（0x4000 0000 --- 0x400F FFFF）映射到（0x4200 0000 --- 0x43FF FFFF）。

其實就是映射到偏移（距離自身）0x0200 0000外的32MB空間（位帶別名區(qū)），如下圖SRAM區(qū)映射關(guān)系：

提示：看圖中的有顏色的8Bit，它是映射到偏移0x0200 0000外的32Bit（4Byte）空間上。我們讀寫0x2200 0000這個地址，其實就是操作0x2000 0000中的Bit0位。

這就是所謂的“比特的膨脹對應(yīng)關(guān)系”，1Bit膨脹到32Bit（4字節(jié)）。 4字節(jié)對應(yīng)的就是那1Bit位的地址，而這個地址中的數(shù)據(jù)只有最低一位才有效（LSB） 。

解釋上面多處出現(xiàn)的關(guān)鍵詞

位帶區(qū)：支持位帶操作的地址區(qū)；

位帶別名：對別名地址的訪問最終作用到位帶區(qū)的訪問上；

三、位帶區(qū)->別名區(qū)計算公式

位帶操作的主要目的：通過Bit位地址（A）計算得到別名區(qū)地址（AliasAddr）。

1.SARM區(qū)計算公式

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

2.片上外設(shè)區(qū)計算公式

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

由于映射關(guān)系一樣，所以公式原理也一樣，只是地址不一樣。計算公式需要結(jié)合上圖比特的膨脹對應(yīng)關(guān)系來理解。

*8：1個字4個字節(jié);

*4：1個字節(jié)8Bit;

四、代碼實現(xiàn)

利用上面計算公式，代碼實現(xiàn)的過程就很簡單，我們的目的就是對“AliasAddr”這個地址進行讀寫操作。

1.RAM位帶操作宏定義

#define BITBAND_RAM(RAM, BIT) (*((uint32_t volatile*)(0x22000000u + (((uint32_t)&(RAM) - (uint32_t)0x20000000u)<<5) + (((uint32_t)(BIT))<<2))))

2.外設(shè)寄存器位帶宏定義

#define BITBAND_REG(REG, BIT) (*((uint32_t volatile*)(0x42000000u + (((uint32_t)&(REG) - (uint32_t)0x40000000u)<<5) + (((uint32_t)(BIT))<<2))))

方便大家對比，給一個截圖：

A.RAM地址0x20001000的Bit1位寫0

BITBAND_RAM(*(uint32_t *)0x20001000, 1) = 0;

B.讀取RAM地址0x20001000的Bit1位

uint8_t Val;

Val=BITBAND_RAM(*(uint32_t *)0x20001000, 1);

C.對PA1數(shù)據(jù)輸出寄存器輸出1

BITBAND_REG(GPIOA->ODR, 1) = 1;

D.讀取PA1數(shù)據(jù)輸出寄存器

uint8_t Val;

Val=BITBAND_REG(GPIOA->ODR, 1);

這里就是操作某一個地址，類似于操作指針一樣；

五、位帶操作優(yōu)缺點

1.優(yōu)點

相比直接操作寄存器代碼更簡潔，運行效率更高。避免在多任務(wù)，或中斷時出現(xiàn)紊亂等。

2.缺點

操作不當(dāng)（傳入地址參數(shù)不對），容易出現(xiàn)總線Fault。

六、說明

關(guān)于Cortex-M3的位帶操作，詳情可以參看Cortex-M3技術(shù)參考手冊（權(quán)威指南）。

我了解Cortex-M處理器中，Cortex-M3、Cortex-M4都具有位帶操作，Cortex-M0，Cortex-M+好像不支持。具體可以下載相關(guān)的技術(shù)參考手冊查看。

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