《嵌入式 - 深入剖析STM32》详解STM32位带操作

Posted 2021-10-24 Bruceoxl

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。

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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。

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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。

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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】

/**
  ******************************************************************************
  * @file                main.c
  * @author              BruceOu
  * @lib version         V3.5.0
  * @version             V1.0
  * @date                2021-10-05
  * @blog                https://blog.bruceou.cn/
  * @Official Accounts   嵌入式实验楼
  * @brief               流水灯
  ******************************************************************************
  */
/** Includes********************************************************************/
#include "./LED/stm32f103_led.h"

/*简单延时函数*/
void Delay(u32 xms); 

/**
  * @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( u32 xms)	
{
	//for(; nCount != 0; nCount--);（方法一）
	while(xms--);//（方法二）
}

【stm32f103_led.c】

/**
  ******************************************************************************
  * @file        stm32f103_led.c
  * @author      BruceOu
  * @lib version V3.5.0
	* @version     V1.0
  * @date        2021-10
  * @brief       LED Init 
  ******************************************************************************
  */
/* Includes*********************************************************************/
#include "./LED/stm32f103_led.h" 

/**
  * @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);	 
}

【stm32f103_led.h】

#ifndef _LED_H
#define	_LED_H

#include "stm32f10x.h"

//位带操作,实现51类似的GPIO控制功能
//具体实现思想,参考<<CM3权威指南>>第五章(87页~92页).
//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

void LED_GPIO_Config(void);

#endif /* _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。

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