原创 我对位带操作的理解

Stm32学习第二天

今天对为位带操作进行了浅显的学习。

我对位带操作的理解是，通过位带操作我们可以向操作51单片机一样，直接控制一个IO口的输出，或者得到一个IO口的输入。在51中我们经常这么写程序：

PA0 = 1;

        在51单片机中以上语句实现了将PA0口的输出置1。

        在stm32的应用程序中，利用位带操作，我们也可以达到上述的效果。我们最容易想到的就是通过GPIO的管教来单独控制每盏LED的点亮和熄灭。另一方面，也对操作串行接口器件提供了很大的方便（典型的如74HC165之类的）。当然位带操作不仅作用于此。

       我们知道在芯片的内存中，一个地址对应这一个字节，也就是8个比特的数据。比如说，我们可以查看stm32手册得GPIOx_CRL的寄存器偏移地址是00h，它有32个比特，紧接着它的下一个寄存器GPIOx_CRH的偏移地址是04h，也就是说GPIOx_CRL的32比特占据了00h到04h之间的4个地址（00h，01h，02h，03h）。也就是一个地址，8个比特的数据。

        位带操作所想实现的功能是，将这每个比特用4个地址来寻址，我们知道4个地址原本对应的是32比特的数据。也就是将1个比特将膨胀为32比特。必须说明的是膨胀后的32比特数据中只有最低位是有效的，也就是原始的那一比特数据对应的是膨胀后的32比特数据的最低位。膨胀前的原始地址和膨胀后的地址具有一一对应的关系。通过这样一种地址的映射将之前每个字节中的8个比特剥离分散开来，以便于我们对每一个比特进行控制。我们知道在GPIO中每一个比特对应这一个IO管脚，这样我们就能方便的对一个管脚进行控制。我觉的形象的来说就是给每一个比特重新起了个别名。

   在stm32中，不是每块内存区域都能进行位带操作的。支持位带操作的内存区范围是：

   0x2000_0000‐0x200F_FFFF（SRAM 区中的最低 1MB） 

   0x4000_0000‐0x400F_FFFF（片上外设区中的最低 1MB）

       对于SRAM 位带区的某个比特，记它所在字节地址为 A,位序号 n(0<=n<=31),则该比特在别名区的地址为：

AliasAddr = 0x22000000 + (A – 0x20000000)*32 + n*4

对于片上外设位带区的某个比特，记它所在字节的地址为 A,位序号为 n(0<=n<=31)，则该比特在别名区的地址为：

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

对以上公式，比如对片上外设这个公式来说，我的理解是：

1. 膨胀后的映射地址起点从0x42000000开始

2. 用(A – 0x40000000)将会得到相对于起始地址的偏移量

3. 乘以32的原因是：以前8个比特用一个地址来表示，现在一个比特用4个地址来表示，所以以前一个地址表示的数据，现在要用32个地址来表示，所以乘以32

4. 从3可以知道，我们乘以32后，我们得到了这个字节第0位比特膨胀后的地址，那么要得到第n位的，就加上n*4，乘以4的原因是一个比特用四个地址来表示。

5. n的取值范围是0到31是因为片上外设的寄存器都是32位的（0 ~ 31）

那么对SRAM映射公式的理解类似。

通过上述的位带映射后，我们对映射后的地址进行操作，也就是对原始的地址进行操作了。并且可以对单个比特进行单独的操作。

那么相对与普通对单个比特的操作，位带操作除了方便之外还有什么优势，那就是在效率方面，位带操作的效率更高。比如，欲设置地址0x20000000中的比特2为1，使用位带操作和不实用位带操作的汇编代码如下：(膨胀后的地址为0x22000008)

1. 不使用位带操作的汇编代码：

LDR  R0 , =0x20000000 ;设置地址

LDR  R1 , [R0]   ;读取数据到寄存器

ORR.W  R1 , #0x04 ;改变第2比特的值

STR  R1 , [R0]  ;将数据写回原来的地址

2. 使用位带操作的汇编代码：

LDR  R0 , =0x22000008 ; 设置地址（此为膨胀后的地址）

MOV  R1 , #1  ;设置数据

STR   R1 , [R0]  ;向地址写入数据

     从上述代码中可以看出，位带操作的汇编指令更精简，效率更高。究其原因，我的理解是，使用位带操作少了定位到具体哪一位的操作，我们只需要向某个地址写入数据即可，而不需要确定写入到哪一位上，因为位带映射之后，我们每一个比特都对应一个地址。

 位带操作还能用来简化跳转的判断。当跳转依据是某个位的时候，比如我们根据一个管脚的输入是高还是低，来决定我们之后的操作。以前我们必须这么做：

1.     读取整个寄存器

2.    掩蔽不需要的位

3.      比较并跳转

现在只需：

1.      从位带别名区（即膨胀后的地址）读取状态位

2.      比较并跳转

从以上可以看出，位带操作的效率更高，究其原因，还是因为缺少了对特定位的屏蔽和提取的操作。

          以上，就是我对stm32的位带操作的理解，有什么理解不到位的地方，请大家指证，希望和大家多多交流。至于C语言的具体实现，出于字数的限制，我讲在下一篇文章来介绍。