STM32之bit band 操作理解

Cortex-M3 支持了位操作后，可以使用普通的加載/存儲(chǔ)指令來對單一的比特進(jìn)行讀寫。
　　在 CM3 支持的位帶中，有兩個(gè)區(qū)中實(shí)現(xiàn)了位帶。
　　其中一個(gè)是 SRAM 區(qū)的最低 1MB 范圍， 0x20000000 ‐ 0x200FFFFF（SRAM 區(qū)中的最低 1MB）；
　　第二個(gè)則是片內(nèi)外設(shè)區(qū)的最低 1MB范圍， 0x40000000 ‐ 0x400FFFFF（片上外設(shè)區(qū)中的最低 1MB）。
　　這兩個(gè)區(qū)中的地址除了可以像普通的 RAM 一樣使用外，它們還都有自己的“位帶別名區(qū)”，位帶別名區(qū)把每個(gè)比特膨脹成一個(gè) 32 位的字。當(dāng)你通過位帶別名區(qū)訪問這些字時(shí)，就可以達(dá)到訪問原始比特的目的。
　　CM3 使用如下術(shù)語來表示位帶存儲(chǔ)的相關(guān)地址
　　* 位帶區(qū)： 支持位帶操作的地址區(qū)
　　* 位帶別名： 對別名地址的訪問最終作用到位帶區(qū)的訪問上（注意：這中間有一個(gè)地址映射過程）
　　位帶區(qū)中的每個(gè)比特都映射到別名地址區(qū)的一個(gè)字 —— 這是只有 LSB 有效的字（位帶別名區(qū)的字只有 最低位 有意義）。
　　對于SRAM中的某個(gè)bit，
　　該bit在位帶別名區(qū)的地址：AliasAddr = 0x22000000 + ((A‐0x20000000)*8+n)*4
　 　　　　　　 　　 = 0x22000000 + (A‐0x20000000)*32 + n*4　

對于片上外設(shè)位帶區(qū)的某個(gè)比特，
　　該比特在位帶別名區(qū)的地址：AliasAddr = 0x42000000 + ((A‐0x40000000)*8+n)*4
　 　　　　　　 　　 = 0x42000000 + (A‐0x40000000)*32 + n*4　
其中 A 為該比特所在的字節(jié)的地址，0 <= n <= 7
“*4”表示一個(gè)字為 4 個(gè)字節(jié)，“*8”表示一個(gè)字節(jié)中有 8 個(gè)比特。

當(dāng)然，位帶操作并不只限于以字為單位的傳送。亦可以按半字和字節(jié)為單位傳送。

　　位帶操作有很多好處，其中重要的一項(xiàng)就是，在多任務(wù)系統(tǒng)中，用于實(shí)現(xiàn)共享資源在任務(wù)間的“互鎖”訪問。多任務(wù)的共享資源必須滿足一次只有一個(gè)任務(wù)訪問它——亦即所謂的“原子操作”。

　　在 C 語言中使用位帶操作
　　在 C編譯器中并沒有直接支持位帶操作。比如，C 編譯器并不知道對于同一塊內(nèi)存，能夠使用不同的地址來訪問，也不知道對位帶別名區(qū)的訪問只對 LSB 有效。
　　欲在 C中使用位帶操作，最簡單的做法就是#define 一個(gè)位帶別名區(qū)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;　　　　　　　　//使用正常地址訪問寄存器
　　 *DEVICE_REG0_BIT1 = 0x1;

還可以更簡化：
　　　　//把“位帶地址＋位序號” 轉(zhuǎn)換成別名地址的宏
　　　　#define BITBAND(addr, bitnum)((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr & 0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))　　
　　　　//把該地址轉(zhuǎn)換成一個(gè)指針
　　　　#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *) (addr))
　　　　于是：
　　　　MEM_ADDR(DEVICE_REG0) = 0xAB; 　//使用正常地址訪問寄存器 　
MEM_ADDR(BITBAND(DEVICE_REG0,1)) = 0x1;　 //使用位帶別名地址

　　注意：當(dāng)你使用位帶功能時(shí)，要訪問的變量必須用 volatile 來定義。因?yàn)?C 編譯器并不知道同一個(gè)bit可以有兩個(gè)地址。所以就要通過 volatile，使得編譯器每次都如實(shí)地把新數(shù)值寫入存儲(chǔ)器，而不再會(huì)出于優(yōu)化的考慮 ，在中途使用寄存器來操作數(shù)據(jù)的復(fù)本，直到最后才把復(fù)本寫回。

如下：
// 把“位段地址＋位序號”轉(zhuǎn)換別名地址宏
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
//把該地址轉(zhuǎn)換成一個(gè)指針
#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) //輸出
其上addr表示bit band的地址，范圍是0x20000000~0x200FFFFF，0x40000000~0x400FFFFF,

addr &0xFFFFF表提取偏移位，高12位（000）被屏蔽。

Bit band alias（位帶別名區(qū)），共32MB；Bit band region（位帶）共1MB；這二者的對應(yīng)關(guān)系好理解，1個(gè)字32位，把32位中的每位擴(kuò)展成一個(gè)字，那么Bit band region的一個(gè)字就需要Bit band alias中的32個(gè)字了，因此也不難理解1MB的位帶對應(yīng)32MB的位帶別名區(qū)。
查看了下Peripheral的最低1MB，從0x4000_0000開始，至0x4010_0000。包括了全部外設(shè)寄存器，也就是說，所有外設(shè)寄存器都可以用位別名區(qū)來查看。

ARM Cortex-M3權(quán)威指南的89頁，分別別出計(jì)算位帶別名區(qū)地址的兩個(gè)關(guān)系式，如Peripheral計(jì)算為：

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

其實(shí)我的理解后一種寫法更容易理解，
AliasAddr=0x42000000+(A-0x40000000)*32+n*4，
0x42000000為位別名區(qū)的起始地址；
(A-0x40000000)*32，A為寄存器地址，減去起始地址，可得出共偏移多少個(gè)字，每個(gè)字有32位，可計(jì)算出相對寄存器的起始地址；n*4，同理，每位占4個(gè)字節(jié)，幾位再乘4，得出寄存器的偏移地址；一個(gè)位占用別名區(qū)中32位，四個(gè)字節(jié)。
Cortex_M3的英文內(nèi)容上的91頁上的例，0x23FFFFE0=0x22000000+(0xFFFFF*32)+0*4;

這種寫法我認(rèn)為更容易理解，除去整個(gè)外設(shè)的基地址，只有偏移地址計(jì)算，相對更容易理解。

　　在 GCC和 RealView MDK (即 Keil) 開發(fā)工具中，允許定義變量時(shí)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”通知編譯器：該指針不能再被修改而指向其它地址。
　　 　// 注意：at()中的地址必須對齊到4 字節(jié)邊界。
　　這樣，就在0x20003014處分配了7個(gè)字，共得到了32*7=224 個(gè)比特。

　　使用這些比特時(shí)，可以通過如下的的形式：
　　　pbbaVar[136]=1; //置位第 136號比特
　　不過這有個(gè)局限：編譯器無法檢查是否下標(biāo)越界。
　　這也是一個(gè)編譯器的局限：它不知道這個(gè)數(shù)組其實(shí)就是 bbVarAry[7]，從而在計(jì)算程序?qū)?nèi)存的占用量上，會(huì)平白無故地多計(jì)入224*4個(gè)字節(jié)。
　　對于指針義，為每個(gè)需要使用的比特取一個(gè)字面值的名字，在下標(biāo)中只使用字面值名字，不再寫真實(shí)的數(shù)字，就可以極大程度地避免數(shù)組越界。
　　請注意：在定義這“兩個(gè)”變量時(shí)，前面加上了“volatile”。如果不再使用bbVarAry 來訪問這些比特，而僅僅使用位帶別名的形式訪問時(shí)，這兩個(gè) volatile 均不再需要。