STM32F030系列实现仿位带操作

Posted 2020-10-04 静哥哥

利用C语言结构的位段操作，实现了STM32F030访位带操作，只是在效率可能会稍逊于真正的位带操作，但是代码上可以兼容。

1、闲言

最近开发的时候，用到了STM32F030F4P6型号的单片机，它只有20个引脚，价格非常便宜，但是功能齐全；定时器、外部中断、串口、IIC、SPI、DMA和WWDG等等，应用尽有，非常适合用来做小设备。可是有个问题是，它是Cortex-M0内核的，不像M3，M4内核一样，可以支持位带操作（就是一位一位地操作，像80C51单片机一样），这就给程序移植或者开发带来了一点点小麻烦，因此我就利用C语言结构的位段操作，实现了个访位带操作，只是在效率可能会稍逊于真正的位带操作，但是代码上可以兼容，基本上可以应用于任何一款处理器。希望能够帮到大家。

2、位带操作基本知识

 关于真正的位带操作，网上有不少的资料，写得也很详细，在这里我只是简单说一下我的理解。另，不理解真正的位带操作，也不影响对本文的理解，因本文跟位带操作没有任何关系，只是仿仿罢了，不能当真。如果不想了解货真价实的位带操作，此节可直接忽略。

如果不使用位带操作，我们操作一个次数据时，就要动32位（STM32是32位的），做一个不恰当的比喻，这就相当于我们坐在一辆有32节车厢的火车上，但是辆火车只有一个门，如果我们要查看这火车中乘客的信息，或者是乘客想下车，必须从那一个门进出，如下图1。

图1 只有1个车门的32节火车

 而如果我们有了位带操作，就相当于，给这辆32节车厢的火车装上了32个车门，这样一来，想查看哪个乘客的信息，或都那个乘客要下车，都可以迅速地从指定的车门下车。如下图2所示。

图2 有32个车门的32节火车

有了32个门后，速度就快多了，但是硬件成本肯定要起来了，这就是为什么STM32F030系列没有位带操作的原因，就是它的成本低。

3、C言语结构体位段操作

此节主要讲述C语言结构体的基础知识，如果有C言高手，请无视此节。在C语言中，对结构体的声明，有一个位域，它可以控制，此结构体中的成员占几个位，关于它的使用，有如下代码：

 1 typedef struct _16_Bits_Struct
 2 {
 3     u16 bit0 : 1;//占一个字节
 4     u16 bit1 : 1;
 5     u16 bit2 : 1;
 6     u16 bit3 : 1;
 7     u16 bit4 : 1;
 8     u16 bit5 : 1;
 9     u16 bit6 : 1;
10     u16 bit7 : 1;
11     u16 bit8 : 1;
12     u16 bit9 : 1;
13     u16 bit10 : 1;
14     u16 bit11 : 2;//占两个字节
15     u16 bit12 : 3;//占三个字节
16 } _16_Bits_Struct;

上面的_16_Bits_Struct结构体类型共占用2个字节，即16位，但它的13个成员变量所占用的位数不全都一样，通过“：”后面的数字可决定它占几位。代码如下，操作一个此结构体类型的位。

 1     _16_Bits_Struct _16_bits;
 2     unsigned short _16bits_data;
 3     memset(&_16_bits, 0, sizeof(_16_Bits_Struct));//将其内存清0
 4 
 5     _16_bits.bit2 = 1;
 6     _16_bits.bit5 = 1;
 7     _16_bits.bit8 = 5;
 8 
 9     _16bits_data = *((unsigned short*)(&_16_bits));
10 
11     printf("_16bits_data = %0xH\\n", _16bits_data);

其输出结果为：

从结果中可以看出，在结构体，从bit0~bit12依次是从低位到高位。在上面代码的第7行，虽然给bit8写入了5，但是因为它只占一位，所以只取了5(D)=0101(B)的最低位，即为1。因此最终结果为124H，它的内存结构如下图3所示。

图3 结构体内存结构图 

4、STM32F030仿位带操作

有了上面结构体位段操作的基础后，离实现仿STM32F030的位带操作就很近了。我打算做一个最简单的，实现对GPIO的某一个引脚操作，达到亮灭LED的功能。

从STM32F030的参考手册中，找到GPIO的输出寄存器ODR，看到它的基本信息如下图4所示，这个寄存器是可读可写的（RW），因此只要作我们给这个寄存器其中的一个位写入1，那么这个引脚就会输出1，写0就输出0（当然前提条件是你把它配置成输出模式，并且使能了它的时钟）。

图4 GPIO的ODR寄存器结构图

我是如何对这个寄存器一次只操作一位的呢，且看下面代码再来解释。

 1 typedef struct _16_Bits_Struct
 2 {
 3     u16 bit0 : 1;
 4     u16 bit1 : 1;
 5     u16 bit2 : 1;
 6     u16 bit3 : 1;
 7     u16 bit4 : 1;
 8     u16 bit5 : 1;
 9     u16 bit6 : 1;
10     u16 bit7 : 1;
11     u16 bit8 : 1;
12     u16 bit9 : 1;
13     u16 bit10 : 1;
14     u16 bit11 : 1;
15     u16 bit12 : 1;
16     u16 bit13 : 1;
17     u16 bit14 : 1;
18     u16 bit15 : 1;
19 } Bits_16_TypeDef;
20 #define LED_GPIO_CLK   RCC_AHBPeriph_GPIOA 
21 #define LED_PORT       GPIOA
22 #define LED_PIN        GPIO_Pin_4
23 //使用结构体的位段操作, 兼容Cortex-M3的位带操作.
24 #define LED_PORT_OUT    ((Bits_16_TypeDef *)(&(LED_PORT->ODR)))
25 #define LED             (LED_PORT_OUT->bit4) 

 我的硬件连接是：LED接GPIOA的4引脚上。1~19行在前面的结构体知识中已经做出了解释了，20~22只是为了代码更好移植做的一些宏定义，可不要。24行就比较关键了：先取出GPIOA->ODR的地址，然后再将它强制转化为Bits_16_TypeDef * 类型（注意，是指针类型）。转化为此类型后，ODR就有位域的特性了，因此就可以对它进行位操作。25行就是将接在PA.4的LED定义为GPIOA->ODR的第4位。

有了这样的操作后，想要我们的LED亮灭，就很容易了，代码如下。

1 LED = 0;//LED亮
2 LED = 1;//LED灭

 因硬件的连接不同，效果可能是反的。看到这里，是不是觉得操作起来很简单呢。

完整的代码如下：

 1 /*------------------------------------------------------------------------------
 2                              风机监测系统(2017年8月12日12:22:38)
 3 功能描述：
 4         LED的开关功能,主要用于状态显示
 5 
 6 使用资源：GPIOA随板子不用而变化
 7 
 8 文件说明：无
 9 作者：Endless  邮箱：[e-mail]  时间:2017年8月10日21:35:38
10 修改：无  时间：
11 ------------------------------------------------------------------------------*/
12 #include "led.h"
13 #include "stm32f0xx.h"
14 
15 /*-----------------------------------------------------------------------------
16 函数功能：LED初始化
17 函数参数：无
18 函数返回：无
19 函数说明:调用此函数前，需要在LED.h修改宏定义LED引脚
20 作者：Endless    
21 -----------------------------------------------------------------------------*/
22 void LED_Init(void)
23 {
24     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
25 
26     RCC_AHBPeriphClockCmd(LED_GPIO_CLK, ENABLE);
27 
28     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_PIN;
29     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;
30     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
31     GPIO_InitStructure.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;    
32     GPIO_Init(LED_PORT, &GPIO_InitStructure);
33 }

led.c

 1 #ifndef __led_H
 2 #define __led_H 
 3 
 4 #include "stm32f0xx.h"
 5 #include "mytype.h"
 6 
 7 #define LED_GPIO_CLK   RCC_AHBPeriph_GPIOA 
 8 #define LED_PORT          GPIOA
 9 #define LED_PIN        GPIO_Pin_4
10 
11 //使用结构体的位段操作, 兼容Cortex-M3的位带操作.
12 #define LED_PORT_OUT    ((Bits_16_TypeDef *)(&(LED_PORT->ODR)))
13 #define LED               (LED_PORT_OUT->bit4)    
14 
15 void LED_Init(void);
16 
17 #endif

led.h

 1 #ifndef  __MYTYPE_H
 2 #define  __MYTYPE_H
 3 #include "stm32f0xx.h"
 4 
 5 #ifndef BIT
 6 #define BIT(x)    (1 << (x))
 7 #endif
 8 
 9 #ifndef u8
10 #define u8 uint8_t
11 #endif
12 
13 #ifndef u16
14 #define u16 uint16_t
15 #endif
16 
17 #ifndef u32
18 #define u32 uint32_t
19 #endif
20 
21 #ifndef NULL
22 #define NULL 0
23 #endif
24 
25 /*------------------------------------------------------------------------------
26                                     用户自定变量
27 功能描述：使用结构体的位段操作,可以实现位操作
28 作者：Endless     2017年8月13日18:32:37
29 修改：无     时间：
30 ------------------------------------------------------------------------------*/
31 typedef struct _16_Bits_Struct
32 {
33     u16 bit0 : 1;
34     u16 bit1 : 1;
35     u16 bit2 : 1;
36     u16 bit3 : 1;
37     u16 bit4 : 1;
38     u16 bit5 : 1;
39     u16 bit6 : 1;
40     u16 bit7 : 1;
41     u16 bit8 : 1;
42     u16 bit9 : 1;
43     u16 bit10 : 1;
44     u16 bit11 : 1;
45     u16 bit12 : 1;
46     u16 bit13 : 1;
47     u16 bit14 : 1;
48     u16 bit15 : 1;
49 } Bits_16_TypeDef;

mytype.h

如果你想进行更多的位操作，只需多定义几次就行了，很容易的。到这里就差不多结束了，希望能够帮到大家，有什么问题可以联系我，或在下面留言。

总结

做技术也很不容易，希望我们大家一起坚持下去！！