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Cortex-M3内核之位带操作

2019-07-12来源: eefocus关键字:Cortex-M3  内核  位带操作

       位带操作(Bit-Band Operations ),顾名思义,就是开发人员可以单独对CPU寄存器的某一位进行读写操作,这无疑将会简化我们开发代码的难度。我们也许已经在8051单片机中体会到了这种位带操作带来的好处,比喻说我要点亮一盏LED灯(假设这里LED灯的阴极已接地),通常只需要下面两行代码就可以完全搞定:

       sbit LED=PX^n;     LED=1;       //X的取值范围为0-3,取0时外部加上拉电阻。n的取值范围是0-7。

      这样子,我们只需要使51单片机的I/O口的某一位输出1,就可以点亮LED,而不影响其他管脚,好处显而易见。其实“位带操作”这个概念最初就是在51单片机中提出来的,今天,CM3将这个能力进化。


      CM3使用如下术语来表示位带存储的相关地址:

          (1) 位带区:支持位带操作的地址区


          (2) 位带别名区:对别名地址的访问最终映射回位带区


       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——这是只有 LSB 有效的字。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。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。 


图1  位带区和位带别名曲的膨胀关系

图2  位带区和位带别名曲的膨胀关系(表达意思同图1)


举例:设置地址0x2000 0000 中的第2位,使用位带操作过程如下:

图3 写数据到位带别名区

图4  从位带别名区读取位


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)



       对于STM32F1X系列的32位芯片,到底内部有哪些资源是可以位操作的,不多说,直接上图。











   也就是说,STM32F1X的这些片内外设的寄存器都是可以位操作的。


   接下来,我们看一下CM3内核是如何将位带区的某一位映射成别名区地址的。

(1)对 SRAM 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= 0x22000000+((A‐0x20000000)*8+n)*4 =0x22000000+ (A‐0x20000000)*32 + n*4


(2)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:

     (1)在地址 0x20000000 处写入 0x3355AACC

     (2)读取地址 0x22000008。本次读访问将读取 0x20000000,并提取比特 2,值为 1。

     (3)往地址 0x22000008 处写 0。本次操作将映射成对地址 0x20000000 的“读-改-写”操作(原子的),把比特 2 清 0。

     (4)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。 


       在C语言中使用位带操作

      不幸的是,在 C 编译器中并没有直接支持位带操作。比如, C 编译器并不知道同一块内存能够使用不同的地址来访问,也不知道对位带别名区的访问只对 LSB 有效。欲在 C 中使用位带操作,最简单的做法就是#define 一个位带别名区的地址。

         #define DEVICE_REG0 ((volatile unsigned long *) (0x40000000))

         #define DEVICE_REG0_BIT0 ((volatile unsigned long *) (0x42000000))

         #define DEVICE_REG0_BIT1 ((volatile unsigned long *) (0x42000004))

          ...

        *DEVICE_REG0 = 0xAB; / 地址访问寄存器

          ...

       *DEVICE_REG0 = *DEVICE_

          ...

       为了简化位带操作,也可以定义一些宏。比如,我们可以建立一个把“位带地址+位序号”转化成别名地址的宏,再建立一个把别名地址转换成指针类型的宏:


         //把“位带地址+位序号”转化成别名地址的宏

            #define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2)) 

        //把该地址转换成一个指针

            #define MEM_ADDR(addr) * ((volatile unsigned long *) (adr) ) 

            #define BIT_ADDR(addr, bitnum)   MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum)) 


        在此基础上,我们就可以如下改写代码(STM32F10X):


           #define PAout(n)    BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  //输出 


           #define PAin(n)     BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n)  //输入 


       现在就可以像操作51单片机一样直接操作单个I/O口了!


       注意:当你使用位带功能时,要访问的变量必须用 volatile 来定义。因为 C 编译器并不知道同一个比特可以有两个地址。所以就要通过 volatile,使得编译器每次都如实地把新的数值写入寄存器,而不会处于优化考虑,在中途使用寄存器来操作数据的副本,直到最后才把副本写回。 


      关于volatile的使用方法,后续博客会介绍到,这个关键字是区分嵌入式C程序员和C开发人员的一个标志!


关键字:Cortex-M3  内核  位带操作

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mcu/ic467565.html
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北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

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