详解Cortex-M位带操作

嵌入式大杂烩 2023-04-27 5024

嵌入式大杂烩

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描述

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。

Cortex-M

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：

Cortex-M

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：

Cortex-M

GPIOx_ODR 寄存器如下：

Cortex-M

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】

#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)

#define LED2(a)    if (a)    \\
                    GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6);\\
                    else        \\
                    GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6)

#define LED3(a)    if (a)    \\
                    GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7);\\
                    else        \\
                    GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7)


/* 直接操作寄存器的方法控制IO */
#define    digitalHi(p,i)            {p->BSRR=i;}            //设置为高电平        
#define    digitalLo(p,i)            {p->BRR=i;}             //输出低电平
#define    digitalToggle(p,i)        {p->ODR ^=i;}           //输出反转状态


/* 定义控制IO的宏 */
#define LED1_TOGGLE        digitalToggle(GPIOB,GPIO_Pin_0)
#define LED1_ON            digitalHi(GPIOB,GPIO_Pin_0)
#define LED1_OFF           digitalLo(GPIOB,GPIO_Pin_0)

#define LED2_TOGGLE        digitalToggle(GPIOC,GPIO_Pin_4)
#define LED2_ON            digitalHi(GPIOG,GPIO_Pin_6)
#define LED2_OFF           digitalLo(GPIOG,GPIO_Pin_6)

#define LED3_TOGGLE        digitalToggle(GPIOC,GPIO_Pin_3)
#define LED3_ON            digitalHi(GPIOG,GPIO_Pin_7)
#define LED3_OFF           digitalLo(GPIOG,GPIO_Pin_7)
/* Exported functions ------------------------------------------------------- */
void LED_GPIO_Config(void);

#ifdef cplusplus
}
#endif

#endif /* __STM32F1_BSP_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：

Cortex-M

普通操作和位带操作的汇编对比代码如下：

Cortex-M

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：

Cortex-M

普通操作和位带操作的汇编对比代码如下：

Cortex-M

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。

审核编辑：汤梓红

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