【嵌入式系统】位带操作原理详解+LED实验解读

1、位带操作的实质

位带操作实质上就是为了让STM32拥有原子性位操作的能力，可以显著提高位操作的效率和安全性，对许多底层软件开发特别是操作系统和驱动程序具有重要意义。CM3提供了2个位带区(Bit Band Region)以及对应的位带别名区(Bit Band Alias)，位带别名区将位带区的每一个bit扩展为四字节32bits(即一个字)，所以位带别名区占用空间是位带区的32倍。于是位带区的bit与位带别名区的一个“寄存器”相对应，修改此“寄存器”就相当于修改了对应的bit。值得注意的是，位带别名区的每个“寄存器”仅LSB有效在这里插入图片描述

图1

图1给出了SRAM区位带操作的例子：位带区0x2000 0000的第一个bit与位带别名区以0x2200 0000为首地址的“寄存器”相映射，于是修改“寄存器”的LSB，例如置1，那么相应位带区的bit也被置位。更进一步，设位带区地址0x20000000处的字为0x3355 AACC，要求对bit2置0：

①读取位带别名区0x2200 0008
②往位带别名区0x2200 0008处写0，本次操作将被映射成对地址0x2000 0000的“读－改－写” 操作(原子操作)，把bit2置0
③现在再读取0x2000 0000，将返回0x3355 AAC8(bit[2]已置0)

上述具体的过程就体现了原子位操作。对原子性的理解要从汇编语言层次入手：
在这里插入图片描述

图2

左侧没有位带操作的四条汇编指令中都有间隔，都可被打断。假设在左侧任一箭头处被打断进入服务函数修改R0，中断返回后继续执行，然而中断返回后的指令也在修改R0，这可能导致ISR修改的数据又被篡改；而右侧位带操作即实现了原子操作，将位操作封装成一个整体。中断只能在位操作前后打入，这保证了变量安全被使用，不会因为是共享资源而被各线程强占

2、位带操作的地址映射关系

位带别名区与位带区的映射公式：
$AliasAddr=AliasBase+((BitAddr-BitBase)×8+n) ×4$

其中 $((BitAddr-BitBase)×8+n) ×4$ 为膨胀幅度，因为每一个bit要扩展成位带别名区的一个字。 $BitBase$ 与 $AliasBase$ 均为常数。 $n$ 为 $BitAddr$ 处的第 $n$ 个bit

例如位带区0x200F FFFF的bit7，映射到位带别名区就是首地址为如下计算所得 $AliasAddr$ 的一个字
$AliasAddr$ =0x2200 0000+((0x200F FFFF-0x2000 0000)×8+7)×4=0x23FF FFFC
在这里插入图片描述

图3 位带操作的主要用途

3、LED实验中的位带操作

int main(void)
{ 
    HAL_Init();                    	 	//初始化HAL库    
    Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9);   	//设置时钟,72M
	delay_init(72);               			//初始化延时函数
	LED_Init();							//初始化LED	

	while(1)
	{
         LED0=0;			     	//LED0亮
	     LED1=1;				 	//LED1灭
		 delay_ms(500);
		 LED0=1;					//LED0灭
		 LED1=0;					//LED1亮
		 delay_ms(500);
	 }
}

主程序代码如上。可见的是LED0=0这行代码直接就使LED0亮灯，在没有引入位带操作时，STM32系列单片机是没有这种位操作的。因此这里的位操作是对位带操作的一种封装，使代码简化，可读性增强。

在led.h中，LED0被定义为：

#define LED0 PCout(0)   	//LED0

在sys.h中，PCout被定义为：

#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))
#define PCout(n)   BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n)  //输出

其中(addr & 0xF0000000)+0x2000000即为 $AliasBase$ ，addr &0xFFFFF即为(BitAddr-BitBase)，用与操作的目的是增强代码的适用性，因为CM3有两个位带区，用与操作使两个位带区都适用此公式。BITBAND(addr, bitnum)实质上就是将位带区addr的bit[bitnum]映射到位带别名区，再通过MEM_ADDR(addr)转为volatile型的地址，位带操作时volatile的修饰是必要的，因为I/O设备经常涉及硬件设备更新，从寄存器读数据可能不会得到预料结果。GPIOC_ODR_Addr是寄存器映射地址，其第n位即为PCn，也就对应LEDn的状态。