位带操作bit band

Cortex-M3内核的ARM芯片，支持位带（bit band）操作。位带操作就是使用普通的加载/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。

现在以STM32F103的GPIOA为例，对位带操作做如下理解：

如果需要对GPIOA中的某一个IO进行操作，如GPIOA的GPIOA.0，将其作为输出，根据需要置零和置一。GPIOA的输出端口输出数据寄存器(GPIOA_ODR，32bit寄存器，低16位有效)地址为GPIOA的起始地址（0x4001 0800）加上其偏移地址（00Ch），为0x4001 080C；GPIOA_ODR从低到高的16bit分别对应GPIOA.0到GPIOA.15。对于cortex M3，是不能直接对GPIOA_ODR的单一bit进行操作的，所以就不能直接对单个IO进行写操作。也就是说此时对地址为0x4001 080C的寄存器（GPIOA_ODR）写操作时，不能达到写单个IO输出数据的目的。

但有两种方式可解决上述问题：一是通过相关库函数，二就是位带操作。库函数很方便，使用简单，但是执行效率不高；位带操作复杂一点，但是执行效率较高。位带操作其实就是对GPIOA_ODR的一组（16个）等效别名地址进行写操作，每一个等效别名地址，对应于GPIOA_ODR的一个bit，等于是对GPIOA_ODR的每一个bit命名了一个地址，这个地址就叫做等效别名地址。从而实现了对单一IO的位操作。其实，GPIOA_ODR对应的等效别名地址有32个，但是有实际意义的，只有16个，因为GPIOA_ODR只有低16位有效。

GPIOA_ODR的地址位于“位带区”，支持位带操作，因为GPIOA_ODR位于片上外设区中的最低1MB，所以其地址对应的32个等效别名地址是按照下面公式计算得来的：

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

公式中A是GPIOA_ODR的地址0x4001 080C，n是需要操作的IO的位，现在是GPIOA.0，所以n=0，AliasAddr就是等效别名地址。此时等效的别名地址AliasAddr=0x42210180，对该地址置零和置一操作，即实现了对GPIOA.0的置零和置一。

至于位带操作的C实现，可参阅sys.h文件。现将相关代码分析如下：

#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))      //1

#define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr))                                              //2

#define BIT_ADDR(addr, bitnum)   MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))                                     //3

//IO口地址映射                                                                                             //4

#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C                                              //5

…………………后续代码都是对IO映射地址的定义                                                                 //6

//IO口操作,只对单一的IO口!                                                                                 //7

//确保n的值小于16!                                                                                        //8

#define PAout(n)   BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  //输出                                                 //9

…………………后续代码是对不同IO输入输出的定义                                                              //10

对于上述代码，应该从IO输出定义（第9行）开始阅读。继续以GPIOA为例，进行说明。首先定义了GPIOA的输出PAout（n），我们在函数中#include "sys.h"后，就可以直接使用PAout（n）来控制GPIOAde的单一bit输出了。

其中n为需要输出的bit。GPIOA_ODR_Addr的地址，就是GPIOA_ODR寄存器的地址，该地址的定义，在第5行实现；对于BIT_ADDR，第3行进行了定义。对于1、2、3行，我们做如下理解：

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

↓

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

↓

#define BIT_ADDR(addr, bitnum)   *((volatile unsigned long  *)(((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))))

其实上述步骤，就相当于是一步一步的“代入”。

第1行是计算等效别名地址的公式，无论是SRAM区的最低1MB范围，还是片内外设区的最低1MB范围，该公式都适用；第2行首先将addr转化成指针变量，尔后再操作该指针变量指向的地址的值，等同于操作等效别名地址上的值，进一步理解，就是对GPIOA上单个IO的输出进行控制了。于是对PAout（n）的操作，就是对指针指向的等效别名地址进行的写操作了。

 

 

参考文献：

Cortex-M3权威指南Cn：“位带操作”部分；

STM32中文参考手册：“8.2.4 端口输出数据寄存器(GPIOx_ODR) (x=A..E)”部分；