STM32单片机位带操作原理解析

Ber_thaw99

STM32 单片机的SRAM有两个区支持位带(bit-band)操作。那么，什么是位带，位带操作的原理是怎样的呢？

今天来梳理一下这个知识点。

聊一聊

在介绍位带操作之前，先看一看 ARM Crotext-M3 的存储器映射。CM3 的地址空间是 4GB, 程序可以在代码区，内部 SRAM 区以及外部 RAM 区中执行。STM32单片机的程序存储器、数据存储器、寄存器和输入输出端口，被组织在同一个 4GB 的线性地址空间内。数据字节以小端格式存放在存储器中。

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会变换成对位带区的访问（注意：有一个地址映射过程）
  
  - z$ w% l' F& O6 q

Cortex-M3 存储器映像包括两个位段(bit-band)区。这两个位段区将别名存储器区中的每个字映射到位段存储器区的一个位，在别名存储区写入一个字具有对位段区的目标位执行读-改-写操作的相同效果。

两个位带区分别为：

• 第一个是SRAM 区的最低 1MB 范围，地址范围为 0x2000_0000-0x200F_FFFF
• 第二个是片内外设区的最低 1MB 范围，地址范围 0x4000_0000-0x400F_FFFF
  
  ( U% |9 F; k, }$ S! K! i

这两个位带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。

位带区与位带别名区的膨胀对应关系如下图

在位带区中，每个比特都映射到别名地址区的一个字，这是个只有 LSB 才有效的字。当一个别名地址被访问时，会先把该地址变换成位带地址。

在 STM32F10xxx 里，外设寄存器 和 SRAM 都被映射到一个位段区里，这允许执行单一的位段的写和读操作。

下面的映射公式给出了别名区中的每个字是如何对应位带区的相应位的：

bit_word_addr = bit_band_base + (byte_offset × 32) + (bit_number × 4)

其中：

• bit_word_addr 是别名存储器区中字的地址，它映射到某个目标位。
• bit_band_base 是别名区的起始地址。
• byte_offset 是包含目标位的字节在位段里的序号
• bit_number是目标位所在位置(0-31)
  
  

举个例子，如何映射别名区中 SRAM 地址为 0x20000300 的字节中的位 2：

0x22006008 = 0x22000000 + (0x300 × 32) + (2 × 4)

对 0x22006008 地址的写操作与对 SRAM 中地址 0x20000300 字节的位 2 执行读-改-写操作有着相同的效果。

位带操作的优越性

如果没有位带操作，那么访问内存的操作流程如下：

• 对于读操作，先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。
  : w7 k) u2 w! z% Q( R/ p- o" R! m

• 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”。
  . u5 ~4 {5 p) |0 Z& ]$ j5 X: @

有了位带操作以后，对于读/写位带别名区就可以完成以上操作。

位带操作的优越性，最容易想到的就是通过 GPIO 的管脚来单独控制每盏 LED 的点亮与熄灭，也对操作串行接口器件提供了很大的方便。

位带操作对于硬件 I/O 密集型的底层程序最有用处了。对于大范围使用位标志的系统程序来说，位带机制也是一大福音。

位带操作还能用来化简跳转的判断。当跳转依据是某个位时，以前必须这样做：

• 读取整个寄存器
• 掩蔽不需要的位
• 比较并跳转
  

现在只需：

• 从位带别名区读取状态位
• 比较并跳转
  ( }  U' q! Q2 H+ W4 c( J

位带操作还有一个重要的好处是，在多任务中，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”。

多任务的共享资源必须满足一次只有一个任务访问它（所谓的“原子操作”）。

以前的读－改－写需要 3 条指令，导致这中间留有两个空当能被中断，于是可能会出现如下图所示的紊乱危象：

通过使用 CM3 的位带操作，就可以消灭上例中的紊乱危象。CM3 把这个“读－改－写”做成一个硬件级别支持的原子操作，不能被中断。

C语言操作位带

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))
) q& ]) r3 Y0 r8 K#define DEVICE_REG0_BIT1 ((volatile unsigned long *) (0x42000004))

我们可以建立一个把“位带地址＋位序号”转换成别名地址的宏，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”转换成别名地址的宏
4 G+ g0 o' T5 P  z' S#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr & 0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))

; \6 `% b( S6 f8 s) i' {: I

//把该地址转换成一个指针

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

当使用位带功能时，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——这会导致按不同的方式访问同一个位会得到不一致的结果。

最后

在 STM32 单片机实际开发中，一般会使用标准库或者HAL库，我们直接使用库提供的操作API即可完成相应的工作，也就是库帮我们完成了位带转换。

我们掌握了位带操作的原理，知其然、知其所以然，假如遇到相关问题，可以从原理上分析、并解决问题。