Cortex-M位带操作的原理

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作者 | strongerHuang

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位带操作可能现在用的比较少了，但在以前MCU性能不是很好的时候，位带操作却是众多软件工程师常用操作。

本文主要结合Cortex-M3内核（STM32F1）来讲述，相信许多朋友在初学的时候都被绕晕过。

1关于位带操作

Bit-banding简称位带，有人也叫位段。支持位带操作后，可以使用普通的加载/存储指令来对单一的比特进行读写。

很多朋友是从学习51单片机过来的，都知道P1.1这个引脚可以单独控制，我们操作的这个引脚就是一个Bit位。

我们都知道在STM32中不能直接操作寄存器的某一个Bit位，比如单独控制PA端口输出数据寄存器中的ODR1，如下图：

STM32F1内核Cortex-M3早就考虑到了这个问题，为了能达到直接操作ODR1这类Bit位，就在内核中开辟了一块地址区域（位带别名）：可以将ODR1这类Bit位（位带区）映射到位带别名区域对应的地址，只需要操作映射后的地址，就可以实现操作这个ODR1位了。

简单来说就是映射操作，只是这个映射操作有许多约定要遵循。

2位带操作中的映射关系

在Cortex-M3中有两个区实现了位带操作，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。

这两个区域如下图红色标注的区域：

这两个1MB将分别映射到另外两个地址区域：

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

2.片内外设区的最低1MB（0x4000 0000 --- 0x400F FFFF）映射到（0x4200 0000 --- 0x43FF FFFF）。

其实就是映射到偏移（距离自身）0x0200 0000外的32MB空间（位带别名区），如下图SRAM区映射关系：

提示：看图中的有颜色的8Bit，它是映射到偏移0x0200 0000外的32Bit（4Byte）空间上。我们读写0x2200 0000这个地址，其实就是操作0x2000 0000中的Bit0位。

这就是所谓的“比特的膨胀对应关系”，1Bit膨胀到32Bit（4字节）。4字节对应的就是那1Bit位的地址，而这个地址中的数据只有最低一位才有效（LSB）。

解释上面多处出现的关键词：

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作用到位带区的访问上；

3位带区->别名区计算公式

位带操作的主要目的：通过Bit位地址（A）计算得到别名区地址（AliasAddr）。

1.SARM区计算公式

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

2.片上外设区计算公式

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

由于映射关系一样，所以公式原理也一样，只是地址不一样。计算公式需要结合上图比特的膨胀对应关系来理解。

*8：1个字4个字节;

*4：1个字节8Bit;

4代码实现

利用上面计算公式，代码实现的过程就很简单，我们的目的就是对“AliasAddr”这个地址进行读写操作。

1.RAM位带操作宏定义

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

2.外设寄存器位带宏定义

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

方便大家对比，给一个截图：

A.RAM地址0x20001000的Bit1位写0

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

B.读取RAM地址0x20001000的Bit1位

uint8_t Val;
Val=BITBAND_RAM(*(uint32_t *)0x20001000, 1);

C.对PA1数据输出寄存器输出1

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

D.读取PA1数据输出寄存器

uint8_t Val;
Val=BITBAND_REG(GPIOA->ODR, 1);

这里就是操作某一个地址，类似于操作指针一样；

5位带操作优缺点

1.优点

相比直接操作寄存器代码更简洁，运行效率更高。避免在多任务，或中断时出现紊乱等。

2.缺点

操作不当（传入地址参数不对），容易出现总线Fault。

6最后

关于Cortex-M3的位带操作，更多详情可以参看Cortex-M3技术参考手册（权威指南）。

这后面的Cortex-M处理器已经不再支持位带操作了，从兼容未来软件的角度来说，不是很建议大家再继续使用了。

只是位带操作是一种经典，这里分享给大家了解一下，希望对你们有帮助。

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