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STM32之bit band 操作理解

发布时间:2020-08-26 发布时间:
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    Cortex-M3 支持了位操作后,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  支持的位带中,有两个区中实现了位带。
  其中一个是 SRAM 区的最低 1MB 范围,  0x20000000 ‐ 0x200FFFFF(SRAM 区中的最低 1MB);
  第二个则是片内外设区的最低 1MB范围, 0x40000000 ‐ 0x400FFFFF(片上外设区中的最低 1MB)。
  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。
  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(注意:这中间有一个地址映射过程)
  位带区中的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(位带别名区的字只有 最低位 有意义)。
  对于SRAM中的某个bit,
  该bit在位带别名区的地址: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,
  该比特在位带别名区的地址:AliasAddr = 0x42000000 + ((A‐0x40000000)*8+n)*4 
                                                   = 0x42000000 + (A‐0x40000000)*32 + n*4 
  其中 A 为该比特所在的字节的地址,0 <= n <= 7
“*4”表示一个字为 4 个字节,“*8”表示一个字节中有 8 个比特。

当然,位带操作并不只限于以字为单位的传送。亦可以按半字和字节为单位传送。 

  位带操作有很多好处,其中重要的一项就是,在多任务系统中,用于实现共享资源在任务间的“互锁”访问。多任务的共享资源必须满足一次只有一个任务访问它——亦即所谓的“原子操作”。 

  在 C 语言中使用位带操作
  在 C编译器中并没有直接支持位带操作。比如,C 编译器并不知道对于同一块内存,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。例如:

    #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;        //使用正常地址访问寄存器 
        *DEVICE_REG0_BIT1 = 0x1;  

还可以更简化:
    //把“位带地址+位序号” 转换成别名地址的宏
    #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 *) (addr))
    于是:
    MEM_ADDR(DEVICE_REG0) = 0xAB;     //使用正常地址访问寄存器  
              MEM_ADDR(BITBAND(DEVICE_REG0,1)) = 0x1;  //使用位带别名地址

  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bit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数值写入存储器,而不再会出于优化的考虑 ,在中途使用寄存器来操作数据的复本,直到最后才把复本写回。

如下:
// 把“位段地址+位序号”转换别名地址宏 
#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  *)(addr)) 
#define BIT_ADDR(addr, bitnum)   MEM_ADDR( BITBAND(addr, bitnum)  ) 
#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C 
#define PA0   BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr, 0)  //输出
其上addr表示bit band的地址,范围是0x20000000~0x200FFFFF,0x40000000~0x400FFFFF,

addr &0xFFFFF表提取偏移位,高12位(000)被屏蔽。


  Bit band alias(位带别名区),共32MB;Bit band region(位带)共1MB;这二者的对应关系好理解,1个字32位,把32位中的每位扩展成一个字,那么Bit band region的一个字就需要Bit band alias中的32个字了,因此也不难理解1MB的位带对应32MB的位带别名区。
  查看了下Peripheral的最低1MB,从0x4000_0000开始,至0x4010_0000。包括了全部外设寄存器,也就是说,所有外设寄存器都可以用位别名区来查看。

    ARM Cortex-M3权威指南的89页,分别别出计算位带别名区地址的两个关系式,如Peripheral计算为:

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

其实我的理解后一种写法更容易理解,
AliasAddr=0x42000000+(A-0x40000000)*32+n*4,
0x42000000为位别名区的起始地址;
(A-0x40000000)*32,A为寄存器地址,减去起始地址,可得出共偏移多少个字,每个字有32位,可计算出相对寄存器的起始地址;n*4,同理,每位占4个字节,几位再乘4,得出寄存器的偏移地址;一个位占用别名区中32位,四个字节。
  Cortex_M3的英文内容上的91页上的例,0x23FFFFE0=0x22000000+(0xFFFFF*32)+0*4;

这种写法我认为更容易理解,除去整个外设的基地址,只有偏移地址计算,相对更容易理解。

  在 GCC和 RealView MDK (即 Keil)  开发工具中,允许定义变量时手工指定其地址。如:
     volatile unsigned long bbVarAry[7]__attribute__(( at(0x20003014) ));
     volatile unsigned long* const pbbaVar= (void*)(0x22000000+0x3014*8*4);
     // 在 long*后面的“const”通知编译器:该指针不能再被修改而指向其它地址。
     // 注意:at()中的地址必须对齐到4 字节边界。
  这样,就在0x20003014处分配了7个字,共得到了32*7=224 个比特。

  使用这些比特时,可以通过如下的的形式:
    pbbaVar[136]=1;   //置位第 136号比特
  不过这有个局限:编译器无法检查是否下标越界。
  这也是一个编译器的局限:它不知道这个数组其实就是 bbVarAry[7],从而在计算程序对内存的占用量上,会平白无故地多计入224*4个字节。
  对于指针义,为每个需要使用的比特取一个字面值的名字,在下标中只使用字面值名字,不再写真实的数字,就可以极大程度地避免数组越界。 
  请注意:在定义这“两个”变量时,前面加上了“volatile”。如果不再使用bbVarAry 来访问这些比特,而仅仅使用位带别名的形式访问时,这两个 volatile 均不再需要。


关键字:STM32  bit  band 

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