2021年09月30日 | STM32位带操作-详解-计算过程

位带操作

位带操作的概念其实很多年前就有了，那还是 8051 单片机开创的先河。如今，CM3 将此能力进化，这里的位带操作是 8051 位寻址区的威力大幅加强版。

官方解释

先来看一下Cortex-M3权威指南中描述的位带操作：

支持了位带操作后，可以使用普通的加载/存储指令来对单一的比特进行读写操作。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。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。

正点原子库函数指导书解释

位带操作简单的说，就是把每个比特膨胀为一个 32 位的字，当访问这些字的时候就达到了访问比特的目的，比如说 BSRR 寄存器有 32 个位，那么可以映射到 32 个地址上，我们去访问这 32 个地址就达到访问 32 个比特的目的。这样我们往某个地址写 1 就达到往对应比特位写 1 的目的，同样往某个地址写 0 就达到往对应的比特位写 0 的目的。

对比下来还是下面写的更容易理解一些，现在我们知道了位带操作是将一位是数据膨胀为32位的字，那么他是怎么实现的呐？

位带操作地址转换计算

大家先看一下这个图注意一下，下面为位带区（就是原来的位置，占一位），而上面位带别名区（新地址，站32位）。（这里真的不知道咋解释了，试着理解一下吧）

CM3中支持位带操作的地址

首先我们要了解在STM32中有两个区域可以进行位带操作，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)

对应别名区的范围为：

0x2200 0000-0x23FF FFFF

0x4200 0000-0x43FF FFFF

从这连个范围就可以看出点问题，支持位带操作的区域大小，差不多比位带别名区小32倍。

这也就表明了确实是位带区的一位，在别名区是32位。那么是怎么转换的那。

官方给了计算公式：

是不是感觉不太好理解，那我们就一起来算一下，到地是不是这么回事。

首先一个官方给的图来做对比，看看结果对不对。

我们就计算两个位置，分别为0x20000000的第0位和0x20000000的第1位.

因为这两个位置都是SRAM位带区的数据所以我们要用对应的公式：

AliasAddr = 0x22000000+((A-0x20000000)*8+n)*4= 0x22000000+(A-0x20000000)32+n4

首先我们需要注意的一点是，A是SRAM位带区的某个比特的字节地址，注意是字节地址，我们都知道STM32中每个寄存器是32位的，所以每个寄存器站用4个字节，而0x20000000是总线地址，也就是基地址，寄存器地址是在这个基地址的基础上偏移的。如下图：

OK，了解这些就可以进行计算了。

要计算数据：0x20000000的第0位

A = 0x20000000

n = 0

公式：

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

第一步：带入数据

AliasAddr =  0x22000000+(0x20000000-0x20000000)*32+0*4

这里将一下计算规则：

加/减运算，只需要对应的位进行减就可以了

乘除运算：需要化为十进制进行计算。

结果：

AliasAddr = 0x22000000

对应上面的图片：

位带区 —> 等效的别名地址

0x20000000.0 --> 0x22000000.0

说明我们计算正确了，有人可能认为我们取得值太简单，那我们就在换一个再进行一次计算。

要计算数据：0x20000004的第2位

代入数据

AliasAddr =  0x22000000+(0x20000004-0x20000000)*32+2*4

这里计算就要借助计算器了，大家可以自行计算一下，注意在乘的时候一定要转化为十进制。计算结束后在转化为16进制

经过计算结果：

AliasAddr = 0x22000088

对照上表说明我们计算的只是正确的。这样我们就了解是如何进行转化的了，但是这就有新的问题了，32位的位带地址是如何给的位带区传递值的呐。

官方文档给出了解释：

在位带区中，每个比特都映射到别名地址区的一个字，这是只有一个 LSB有效的字。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“读一改一写”过程。

注释：LSB–最低有效位

这样位带操作就显得很简单了嘛，最后再看一下位带操作的实现

#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¿ÚµØÖ·Ó³Éä

#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¿Ú²Ù×÷,Ö»¶Ôµ¥Ò»µÄIO¿Ú!

//È·±£nµÄֵСÓÚ16!

#define PAout(n)   BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  //Êä³ö 

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

#define PBout(n)   BIT_ADDR(GPIOB_ODR_Addr,n)  //Êä³ö 

#define PBin(n)    BIT_ADDR(GPIOB_IDR_Addr,n)  //ÊäÈë 

#define PCout(n)   BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n)  //Êä³ö 

#define PCin(n)    BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n)  //ÊäÈë 

#define PDout(n)   BIT_ADDR(GPIOD_ODR_Addr,n)  //Êä³ö 

#define PDin(n)    BIT_ADDR(GPIOD_IDR_Addr,n)  //ÊäÈë 

#define PEout(n)   BIT_ADDR(GPIOE_ODR_Addr,n)  //Êä³ö 

#define PEin(n)    BIT_ADDR(GPIOE_IDR_Addr,n)  //ÊäÈë

#define PFout(n)   BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n)  //Êä³ö 

#define PFin(n)    BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n)  //ÊäÈë

#define PGout(n)   BIT_ADDR(GPIOG_ODR_Addr,n)  //Êä³ö 

#define PGin(n)    BIT_ADDR(GPIOG_IDR_Addr,n)  //ÊäÈë

这里开头三行是实现地址转化的，原理就是将位带区的某一位转化位位带别名区的一个32位的字节。大家可以分析一下，看看能不能算出来。

位带操作的优点

位带操作有什么优越性呢?最容易想到的就是通过GPIO的管脚来单独控制每盏LED的点亮与熄灭。另一方面,也对操作串行接口器件提供了很大的方便(典型如74HC165,CD4094)。总之位带操作对于硬件I/0密集型的底层程序最有用处了。

读取比特时传统方法与位带方法的比较

这就很直观的看出位带操作的相对而言更简便一些。

结语

位带操作在实际开发中可能只是用来 IO 口的输入输出还比较方便，其他操作在日常开发中也基本很少用。