【STM32】位带操作

一、位带操作

1.意义

回想以前写51代码

P0 = 0x10; //将P0端口设置为0x10 P1_0=1; //将P1端口0号引脚设置为高电平 a = P2_2; //获取P2端口2号引脚的电平

根据上述的方法，我们可以发现快速定位修改某个引脚的电平还有获取引脚的状态

2.原因

GPIO_SetBits、GPIO_ResetBits、GPIO_WriteBit操作IO口的性能没有达到极致，因为这些函数都需要进行现场保护和现场恢复的动作，比较耗时间 ，没有进行一步到位，使用位带操作则没有上述的烦恼，简单快速！

示例1：

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 GPIO_SetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9); 
 修改为 PFout(9)=1;

示例2：

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GPIO_ResetBits(GPIOF,GPIO_Pin_9); 

修改为 PFout(9)=0;

因为使用对引脚设置电平或读取电平，库函数效率是不高的，很难应付高性能的场合，如下代码，修改某引脚电平要执行起码3行代码，还不包括隐含的调用函数与函数返回的过程。

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void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{   
	/* Check the parameters */                        		assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));   	           	   assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));    
    GPIOx->BSRRL = GPIO_Pin; 
}

寄存器地址分析

二、《Cortex M3与M4权威指南》章节6.7 P206

1.背景

位带操作常用于I/O高度密集访问的芯片。

Bit-band operation support allows a single load/store operation to access (read/write) to a single data bit. In the Cortex-M3 and Cortex-M4 processors, this is supported in two pre-defined memory regions（静态映射） called bit-band regions. One of them is

There are two regions of memory for bit-band operations:

• 0x20000000~0x200FFFFF (SRAM, 1MB)

• 0x40000000~0x400FFFFF (Peripherals, 1MB)

2.映射表

3.公式

关于IO引脚对应的访问地址，可以参考以下公式寄存器的位带别名地址 = 0x42000000 + （寄存器的地址-0x40000000）32 + 引脚编号x

三、寄存器地址与别名地址转换技巧

1.确定某端口访问起始地址，如端口F访问起始地址为GPIOF_BASE

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#define GPIOF               ((GPIO_TypeDef *) GPIOF_BASE)

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typedef struct
{
  __IO uint32_t MODER;    /*!< GPIO port mode register,               Address offset: 0x00      */
  __IO uint32_t OTYPER;   /*!< GPIO port output type register,        Address offset: 0x04      */
  __IO uint32_t OSPEEDR;  /*!< GPIO port output speed register,       Address offset: 0x08      */
  __IO uint32_t PUPDR;    /*!< GPIO port pull-up/pull-down register,  Address offset: 0x0C      */
  __IO uint32_t IDR;      /*!< GPIO port input data register,         Address offset: 0x10      */
  __IO uint32_t ODR;      /*!< GPIO port output data register,        Address offset: 0x14      */
  __IO uint16_t BSRRL;    /*!< GPIO port bit set/reset low register,  Address offset: 0x18      */
  __IO uint16_t BSRRH;    /*!< GPIO port bit set/reset high register, Address offset: 0x1A      */
  __IO uint32_t LCKR;     /*!< GPIO port configuration lock register, Address offset: 0x1C      */
  __IO uint32_t AFR[2];   /*!< GPIO alternate function registers,     Address offset: 0x20-0x24 */
} GPIO_TypeDef;

2.根据要访问的寄存器地址计算偏移值，如计算

GPIOF的ODR寄存器地址 = GPIOF_BASE+0x14；

3.根据以下公式进行换算

寄存器的位带别名地址 = 0x42000000 + （寄存器的地址-0x40000000）32 + 引脚编号4

详细示意图参考如下：

4.PF9引脚的位带别名地址

示例1：

   uint32_t *PF9_BitBand = (uint32_t *)(0x42000000 + (GPIOF_BASE + 0x14 - 0x40000000)*32 + 9*4);

示例2：

uint32_t *PF9_BitBand   = (uint32_t *)(0x42000000 + ((uint32_t)&GPIOF->ODR - 0x40000000)*32 + 9*4);

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四、代码调整

将端口的访问封装为Pxout、Pxin，例如端口F引脚电平设置PFout，端口A引脚电平读取PAin。

#define PFout(x) *(volatile uint32_t *)(0x42000000 + (GPIOF_BASE + 0x14 - 0x40000000)32 + x4)

#define PAin(x) *(volatile uint32_t *)(0x42000000 + (GPIOA_BASE + 0x10 - 0x40000000)32 + x4)

五、编译优化

5.1 优化等级

优化：编译器想尽办法去压缩程序存储空间，提高运行速度。类比：新的电脑安装一个win10，默认的win10的存储空间占用是比较大、运算速度不是最快，会安装一些优化软件来优化win10，优化过后，会发现系统盘剩余空间增加了，win10的运行速度也增加了。

gcc 预处理汇编未链接的二进制文件可执行程序

一般编译器，优化有多个等级：-O0、-O1、-O2、-O3。

-O0：缺省优化级别，一般情况下不压缩程序存储空间，不提高程序运行速度，保证程序的可靠执行。

-O1：轻度优化，轻度压缩程序存储空间，轻度优化程序运行速度。

-O2：推荐优化等级，在程序存储空间和程序运行速度取得平衡点。

-O3：最高级别的优化等级，有可能导致程序不能运行，也会使用以空间换时间的方法，导致程序体积增大。

示例1：-O0

示例1：-O2

按键例子1，任何时刻按下按键，灯无法响应：

#define PAin(n) *((uint32_t *)(0x42000000 + (((uint32_t)&GPIOA->IDR) - 0x40000000)*32 + (n)*4)) PFout(9) = PAin(0); 经过编译阶段，会得到恒定的结果。 PFout(9)=1;

按键例子2，任何时刻按下按键，灯能够立即响应点亮或熄灭：

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六、volatile关键字

1.应用场景

volatile关键字分析，往往应用在三种场合

1）多线程编程共享全局变量的时候，该全局变量要加上volatile进行修饰，让编译器不要省略该变量的访问。

2）裸机编程的时候，某函数与中断服务函数共享全局变量的时候，该全局变量要加上volatile进行修饰，让编译器不要省略该变量的访问。

3）ARM定义寄存器的时候，寄存器是指向一个地址，要加上volatile进行修饰，让编译器不要优化而省略该变量的访问。

编译器不要优化该变量指的是防止编译器出现优化过度，导致代码运行失效。

加上volatile关键字生成的汇编代码会发生明显的变化，同样调用delay函数，灯的速度发生变化！

2.delay函数在-O2等级，是否添加volatile关键字，反汇编分析。

七、仿真调试

仿真调试实时跟踪代码的运行，程序出现问题并能跟踪到问题所在。能够观察变量的变化、逐步执行代码。