详解Cortex-M位带操作

发布时间: 2024-05-06

来源: 电子工程世界

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。

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。

C:UsersBruceOuDesktop20191203162525194.png

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：

C:UsersBruceOuDesktop�05xOcwJzy7gW7umetS44.png

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。

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。

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：

1682578697232m0vpen34s4

GPIOx_ODR 寄存器如下：

1682578697691w447n9kidh

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】

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/

#include "stm32f1_bsp_led.h"

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/

/* Private define ------------------------------------------------------------*/

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/

/*简单延时函数*/

void Delay(uint32_t xms);

/* Private functions ---------------------------------------------------------*/

/**

* @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( uint32_t xms)

{

//for(; nCount != 0; nCount--);（方法一）

while(xms--);//（方法二）

}

【stm32f1_bsp_led.c】

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/

#include "stm32f1_bsp_led.h"

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/

/* Private define ------------------------------------------------------------*/

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/

/* Private functions ---------------------------------------------------------*/

/**

* @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);

}

【stm32f1_bsp_led.h】

复制

#ifndef __STM32F1_BSP_LED_H__

#define __STM32F1_BSP_LED_H__

#ifdef __cplusplus

extern "C" {

#endif

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/

#include "stm32f10x.h"

/* Exported types ------------------------------------------------------------*/

/* Exported constants --------------------------------------------------------*/

/* Exported macro ------------------------------------------------------------*/

//位带操作,实现51类似的GPIO控制功能

//具体实现思想,参考<

//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

#define ON 1

#define OFF 0

/* 带参宏，可以像内联函数一样使用 */

#define LED1(a) if (a)

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);

else

GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0)

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