M3位帶地址對映和彙編實現對比

流水江湖發表於2024-05-01

01. 位帶概述
位帶操作簡單的說，就是把每個位元膨脹為一個 32 位的字，當訪問這些字的時候就達到了訪問位元的目的，比如說 GPIO 的 ODR 暫存器有 32 個位，那麼可以對映到 32 個地址上，我們去訪問這 32 個地址就達到訪問 32 個位元的目的。這樣我們往某個地址寫 1 就達到往對應位元位寫 1 的目的，同樣往某個地址寫 0 就達到往對應的位元位寫 0 的目的。

支援了位帶操作後，可以使用普通的載入、儲存指令來對單一的位元進行讀寫。在CM3中，有兩個區中實現了位帶。其中一個是 SRAM 區的最低 1MB 範圍，第二個則是片內外設區的最低 1MB 範圍。這兩個區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”，位帶別名區把每個位元膨脹成一個 32 位的字。當你透過位帶別名區訪問這些字時，就可以達到訪問原始位元的目的。

SRAM 區中的位帶地址對映

M3位帶地址對映和彙編實現對比

對於片上外設，對映關係如下表所示

M3位帶地址對映和彙編實現對比

03. 位帶C語言實現

//位帶操作,實現51類似的GPIO控制功能
//IO口操作宏定義
#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)) 
//IO口地址對映
#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+20) //0x40020014
#define GPIOB_ODR_Addr    (GPIOB_BASE+20) //0x40020414 
#define GPIOC_ODR_Addr    (GPIOC_BASE+20) //0x40020814 
#define GPIOD_ODR_Addr    (GPIOD_BASE+20) //0x40020C14 
#define GPIOE_ODR_Addr    (GPIOE_BASE+20) //0x40021014 
#define GPIOF_ODR_Addr    (GPIOF_BASE+20) //0x40021414    
#define GPIOG_ODR_Addr    (GPIOG_BASE+20) //0x40021814   
#define GPIOH_ODR_Addr    (GPIOH_BASE+20) //0x40021C14    
#define GPIOI_ODR_Addr    (GPIOI_BASE+20) //0x40022014     

#define GPIOA_IDR_Addr    (GPIOA_BASE+16) //0x40020010 
#define GPIOB_IDR_Addr    (GPIOB_BASE+16) //0x40020410 
#define GPIOC_IDR_Addr    (GPIOC_BASE+16) //0x40020810 
#define GPIOD_IDR_Addr    (GPIOD_BASE+16) //0x40020C10 
#define GPIOE_IDR_Addr    (GPIOE_BASE+16) //0x40021010 
#define GPIOF_IDR_Addr    (GPIOF_BASE+16) //0x40021410 
#define GPIOG_IDR_Addr    (GPIOG_BASE+16) //0x40021810 
#define GPIOH_IDR_Addr    (GPIOH_BASE+16) //0x40021C10 
#define GPIOI_IDR_Addr    (GPIOI_BASE+16) //0x40022010 
 
//IO口操作,只對單一的IO口!
//確保n的值小於16!
#define PAout(n)   BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  //輸出 
#define PAin(n)    BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n)  //輸入 

#define PBout(n)   BIT_ADDR(GPIOB_ODR_Addr,n)  //輸出 
#define PBin(n)    BIT_ADDR(GPIOB_IDR_Addr,n)  //輸入 

#define PCout(n)   BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n)  //輸出 
#define PCin(n)    BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n)  //輸入 

#define PDout(n)   BIT_ADDR(GPIOD_ODR_Addr,n)  //輸出 
#define PDin(n)    BIT_ADDR(GPIOD_IDR_Addr,n)  //輸入 

#define PEout(n)   BIT_ADDR(GPIOE_ODR_Addr,n)  //輸出 
#define PEin(n)    BIT_ADDR(GPIOE_IDR_Addr,n)  //輸入

#define PFout(n)   BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n)  //輸出 
#define PFin(n)    BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n)  //輸入

#define PGout(n)   BIT_ADDR(GPIOG_ODR_Addr,n)  //輸出 
#define PGin(n)    BIT_ADDR(GPIOG_IDR_Addr,n)  //輸入

#define PHout(n)   BIT_ADDR(GPIOH_ODR_Addr,n)  //輸出 
#define PHin(n)    BIT_ADDR(GPIOH_IDR_Addr,n)  //輸入

#define PIout(n)   BIT_ADDR(GPIOI_ODR_Addr,n)  //輸出 
#define PIin(n)    BIT_ADDR(GPIOI_IDR_Addr,n)  //輸入

那麼初始化相應的GPIO之後就可以直接使用了。

led.h

#ifndef __LED_H__
#define __LED_H__

#include "sys.h"

//LED初始化
void LED_Init(void);

//位帶操作
#define LED1 PFout(9)
#define LED2 PFout(10)


#endif /*__LED_H__*/

led.c

#include "led.h"


//LED初始化
void LED_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef gpio_InitTypeDef;
	
	gpio_InitTypeDef.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10;
	gpio_InitTypeDef.GPIO_Mode = GPIO_Mode_OUT;
	gpio_InitTypeDef.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;
	gpio_InitTypeDef.GPIO_OType = GPIO_OType_PP;
	gpio_InitTypeDef.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP;
	
	//使能時鐘
	RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE);
	
	//GPIO初始化
	GPIO_Init(GPIOF, &gpio_InitTypeDef);
	
	//設定高電平 LED滅
	GPIO_SetBits(GPIOF, GPIO_Pin_9 | GPIO_Pin_10);
}

main.c

#include "stm32f4xx.h"

#include "delay.h"
#include "led.h"

int main(void)
{		
	delay_init(168);
	
	LED_Init();
	
	//3. LED閃爍
	while(1)
	{
		//滅
		LED1 = 1;
		LED2 = 1;
		
		delay_ms(1000);
		
		//亮
		LED1 = 0;
		LED2 = 0;
		delay_ms(1000);
	}	
}

寫入對比

M3位帶地址對映和彙編實現對比

讀取對比

M3位帶地址對映和彙編實現對比

//把“位帶地址+位序號”轉換成別名地址的宏

#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000) + 0x20000000 + ((addr & 0xFFFFF) << 5) + (bit<<2));

//把該地址轉換成一個指標

#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *) (adr));

在此基礎上，我們就可以如下改寫程式碼：

MEM_ADDR(DEVICE REG0) = 0xAB; //使用正常地址訪問暫存器，即把0xAB作為DEVICE REG0地址上的值

MEM_ADDR(DEVICE_REG0) = MEM_ADDR(DEVICE_REG0) | 0x2; //傳統做法

MEM_ADDR(BITBAND(DEVICE_REG0， 1)) = 0x1； //使用位帶別名地址

請注意：當使用位帶功能時，要訪問的變數必須用 volatile來定義。因為 C編譯器並不知道同一個位元可以有兩個地址。所以就要透過 volatile，使得編譯器每次都如實地把新數值寫入儲存器，而不再會出於最佳化的考慮，在中途使用暫存器來運算元據的複本，直到最後才把複本寫回——這會導致按不同的方式訪問同一個位會得到不一致的結果（可能被最佳化到不同的暫存器來儲存中間結果——譯註

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