STM32中的位带(bit-band)操作

STM32位带操作技术解析摘要： STM32的位带操作技术允许通过普通加载/存储指令直接访问单个比特位。该技术通过位带别名区实现，将每个比特映射为32位字，支持对SRAM和外设区域的特定位进行原子操作。位带区包含SRAM(0x20000000-0x200FFFFF)和外设(0x40000000-0x400FFFFF)两个区域，通过特定地址转换公式实现位访问。这种技术源于8051的位寻址，在CM3内核中得到增强，提供了更高效的位操作方式。实际应用中，可通过宏定义简化GPIO端口操作，实现对单个引脚的快速读写

STM32中的位带(bit-band)操作

支持了位带操作后，可以使用普通的加载/存储指令来对单一的比特进行读写。在 CM3 中，有两个区中实现了位带。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。这两个区中的地址除了可以像普通的 RAM 一样使用外，它们还都有自己的"位带别名区"，位带别名区把每个比特膨胀成一个 32 位的字。当你通过位带别名区访问这些字时，就可以达到访问原始比特的目的。

位带操作的概念其实 30 年前就有了，那还是8051 单片机开创的先河，如今，CM3 将此能力进化，这里的位带操作是 8051 位寻址区的威力大幅加强版。

CM3 使用如下术语来表示位带存储的相关地址：

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（这中途有一个地址映射过程）

在位带区中，每个比特都映射到别名地址区的一个字------这是只有 LSB 有效的字。当一个别名地址被访问时，会先把该地址变换成位带地址。对于读操作，读取位带地址中的一个字，再把需要的位右移到 LSB，并把 LSB 返回。对于写操作，把需要写的位左移至对应的位序号处，然后执行一个原子的"读－改－写"过程。

支持位带操作的两个内存区的范围是：

0x2000_0000‐0x200F_FFFF（SRAM 区中的最低 1MB）

0x4000_0000‐0x400F_FFFF（片上外设区中的最低 1MB）

对 SRAM 位带区的某个比特，记它所在字节地址为 A,位序号为 n(0<=n<=7)，则该比特在别名区的地址为：

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

对于片上外设位带区的某个比特，记它所在字节的地址为 A,位序号为 n(0<=n<=7)，则该比特在别名区的地址为：

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

上式中，"*4"表示一个字为 4 个字节，"*8"表示一个字节中有 8 个比特。

这里再不嫌啰嗦地举一个例子：

在地址 0x20000000 处写入 0x3355AACC
读取地址0x22000008。本次读访问将读取 0x20000000，并提取比特 2，值为 1。
往地址 0x22000008 处写 0。本次操作将被映射成对地址 0x20000000 的"读－改－写"操作（原子的），把比特2 清 0。
现在再读取 0x20000000，将返回 0x3355AAC8（bit $2$ 已清零）。

位带别名区的字只有 LSB 有意义。另外，在访问位带别名区时，不管使用哪一种长度的数据传送指令（字/半字/字节），都把地址对齐到字的边界上，否则会产生不可预料的结果。

$cpp$ view plain copy

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//位带操作,实现51类似的GPIO控制功能
//具体实现思想,参考<<CM3权威指南>>第五章(87页~92页).
//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