STM32 的位带操作理解

位带操作

• 为什么要用位带操作？

32位处理器一次能处理4个字节即32位，不能直接对位操作，而我们需要更方便、更快捷、更安全的设置或读取地址中的内容。

• 什么是位带操作？

地址空间的有一个 512MB 范围由片上外设（的寄存器）使用。这个区通过系统总线来访问。在这个区的下部，有一个 1MB 的区间，被称为“位带区”。该位带区还有一个对应的、 32MB 的“位带别名(alias)区”，容纳了 8M 个“位变量”（对比 8051 的只有 128 个位变量）。位带区对应的是最低的 1MB 地址范围。这个区中也有一条 32MB 的位带别名，以便于快捷地访问外设寄存器。例如，可以方便地访问各种控制位和状态位。要注意的是，外设区内不允许执行指令。SRAM区同样有位带区。

• 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会变换成对位带区的访问（注意：这中途有一个地址映射过程）

下图为位带区和位带别名区的对应关系：

可以发现，位带区首地址：0x200F FFFF - 0x2000 0000 = 0xF FFFF (1Mb个地址) ，而位带别名区： 0x23FF FFFC - 0x2200 0000 = 0x1FF FFFF (32Mb个地址)，的确是 1：32。又有 0x2200 0000 - 0x2000 0000 = 0x200 0000 (32Mb)，0x23FF FFF0 - 0x200F FFFF = 0x3EFFFF1 (62Mb)，即位带别名区和位带区并非相邻的，而是相隔 32Mb 的内存空间（用作其他用途）。且位带区相互之间对应的位带别名区也不是连续的。

QUESTION：为什么位带别名区与位带区的地址相差32Mb？

• 如何位带操作？

在位带区中，每个比特都映射到别名地址区的一个字——这是个只有 LSB 才有效的字。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－改－写” 过程。

• 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。

在STM32中，上式可理解为 
addr(GPIOx.y) = (addr(GPIO_BASE) + 0x200 0000) + (GPIOx-GPIO_BASE)*32 + y*4
                        位带别名区的起始地址           外设的偏移地址 1:32  别名区以4字节为步进单位  
                (                   外设的别名区起始地址              )       

上式中，x = (A, B, C, …)，y 为 bit 位。GPIO_BASE 为 IO 口的起始地址。

举例：欲设置地址 0x2000_0000 中的比特 2，则使用位带操作的设置过程如下图所示：

对应的汇编代码如下图：

位带读操作相对简单些：

对应的汇编代码如下图：

例子：

1. 在地址 0x40000000 处写入 0x3355AACC。
2. 读取地址 0x42000008。本次读访问将读取 0x20000000，并提取比特 2，值为 1。
3. 往地址 0x42000008 处写 0。本次操作将被映射成对地址 0x40000000 的 “读－改－写” 操作
   （原子的），把比特 2 清 0。
4. 现在再读取 0x40000000，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 编译器中使用位带操作

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。例如：

#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; //使用正常地址访问寄存器
...
*DEVICE_REG0 = *DEVICE_REG0 | 0x2; //使用传统方法设置 bit1
...
*DEVICE_REG0_BIT1 = 0x1; // 通过位带别名地址设置 bit1

为简化位带操作，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” 转换成别名地址的宏，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” 转换成 别名地址 的宏    
//                                 外设的基地址                  外设地址区域<=1Mb
#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))
// 在此基础上，我们就可以如下改写代码：
MEM_ADDR(DEVICE_REG0) = 0xAB; //使用正常地址访问寄存器
MEM_ADDR(DEVICE_REG0)= MEM_ADDR(DEVICE_REG0) | 0x2; //传统做法
MEM_ADDR(BITBAND(DEVICE_REG0,1)) = 0x1; //使用位带别名地址

注意：当使用位带功能时，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数值写入存储器（内存），而不再会出于优化的考虑，在中途使用寄存器来操作数据的复本，直到最后才把复本写回——这会导致按不同的方式访问同一个位会得到不一致的结果。

• STM32内的位带操作整理

CM3的预定义的存储器映射如下：

• 其中 512M 的片上外设区和片上SRAM区都具有1M的位带区以及对应的32M未带别名区。

对应于 STM32F103RCT6 内存映射如下：

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NDEvO5Y7-1575361121600)(assets/image-20191203144040531.png)]

• 可知外设区位带区地址 0x4000 0000 - 0x400F FFFF 基本涵盖了所有的外设寄存器，从而使得读改外设的效率提高。

以 GPIO 的位带操作为例：

// 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)) 

// stm32f10x.h
#define PERIPH_BASE           ((uint32_t)0x40000000) /*!< Peripheral base address in the alias region */
#define APB2PERIPH_BASE       (PERIPH_BASE + 0x10000)
#define GPIOA_BASE            (APB2PERIPH_BASE + 0x0800)

GPIOx_ODR 寄存器如下：

每个寄存器32位，占4个地址（4 x 8），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 的地址在 stm32 的 datasheet 中给出为 0x40010800。

// IO口映射
#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+0x0C) //0x4001080C 
#define GPIOB_ODR_Addr    (GPIOB_BASE+0x0C) //0x40010C0C 
#define GPIOC_ODR_Addr    (GPIOC_BASE+0x0C) //0x4001100C 
#define GPIOD_ODR_Addr    (GPIOD_BASE+0x0C) //0x4001140C 
#define GPIOE_ODR_Addr    (GPIOE_BASE+0x0C) //0x4001180C 
#define GPIOF_ODR_Addr    (GPIOF_BASE+0x0C) //0x40011A0C    
#define GPIOG_ODR_Addr    (GPIOG_BASE+0x0C) //0x40011E0C    

// 类似的，GPIOx_IDR的offset为 0x08.
#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：
// stm32的GPIOx只有16个bit，一个地址8bit，该16bit的地址是连续的，从而位带操作不受影响
#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)  
#define PBin(n)    BIT_ADDR(GPIOB_IDR_Addr,n)  

#define PCout(n)   BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n)   
#define PCin(n)    BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n)  

#define PDout(n)   BIT_ADDR(GPIOD_ODR_Addr,n)  
#define PDin(n)    BIT_ADDR(GPIOD_IDR_Addr,n) 

#define PEout(n)   BIT_ADDR(GPIOE_ODR_Addr,n)  
#define PEin(n)    BIT_ADDR(GPIOE_IDR_Addr,n)  

#define PFout(n)   BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n)  
#define PFin(n)    BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n)  

#define PGout(n)   BIT_ADDR(GPIOG_ODR_Addr,n)  
#define PGin(n)    BIT_ADDR(GPIOG_IDR_Addr,n)