STM32之bit band 操作理解

Cortex-M3 支持了位操作后，可以使用普通的加载/存储指令来对单一的比特进行读写。
　　在 CM3 支持的位带中，有两个区中实现了位带。
　　其中一个是 SRAM 区的最低 1MB 范围， 0x20000000 ‐ 0x200FFFFF（SRAM 区中的最低 1MB）；
　　第二个则是片内外设区的最低 1MB范围， 0x40000000 ‐ 0x400FFFFF（片上外设区中的最低 1MB）。
　　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。
　　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作用到位带区的访问上（注意：这中间有一个地址映射过程）
　　位带区中的每个比特都映射到别名地址区的一个字 —— 这是只有 LSB 有效的字（位带别名区的字只有 最低位 有意义）。
　　对于SRAM中的某个bit，
　　该bit在位带别名区的地址：AliasAddr = 0x22000000 + ((A‐0x20000000)*8+n)*4
　 　　　　　　 　　 = 0x22000000 + (A‐0x20000000)*32 + n*4　

对于片上外设位带区的某个比特，
　　该比特在位带别名区的地址：AliasAddr = 0x42000000 + ((A‐0x40000000)*8+n)*4
　 　　　　　　 　　 = 0x42000000 + (A‐0x40000000)*32 + n*4　
其中 A 为该比特所在的字节的地址，0 <= n <= 7
“*4”表示一个字为 4 个字节，“*8”表示一个字节中有 8 个比特。

当然，位带操作并不只限于以字为单位的传送。亦可以按半字和字节为单位传送。

　　位带操作有很多好处，其中重要的一项就是，在多任务系统中，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”。

　　在 C 语言中使用位带操作
　　在 C编译器中并没有直接支持位带操作。比如，C 编译器并不知道对于同一块内存，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。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;　　　　　　　　//使用正常地址访问寄存器
　　 *DEVICE_REG0_BIT1 = 0x1;

还可以更简化：
　　　　//把“位带地址＋位序号” 转换成别名地址的宏
　　　　#define BITBAND(addr, bitnum)((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr & 0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))　　
　　　　//把该地址转换成一个指针
　　　　#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *) (addr))
　　　　于是：
　　　　MEM_ADDR(DEVICE_REG0) = 0xAB; 　//使用正常地址访问寄存器 　
MEM_ADDR(BITBAND(DEVICE_REG0,1)) = 0x1;　 //使用位带别名地址

　　注意：当你使用位带功能时，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bit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。

如下：
// 把“位段地址＋位序号”转换别名地址宏
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
//把该地址转换成一个指针
#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) //输出
其上addr表示bit band的地址，范围是0x20000000~0x200FFFFF，0x40000000~0x400FFFFF,

addr &0xFFFFF表提取偏移位，高12位（000）被屏蔽。

Bit band alias（位带别名区），共32MB；Bit band region（位带）共1MB；这二者的对应关系好理解，1个字32位，把32位中的每位扩展成一个字，那么Bit band region的一个字就需要Bit band alias中的32个字了，因此也不难理解1MB的位带对应32MB的位带别名区。
查看了下Peripheral的最低1MB，从0x4000_0000开始，至0x4010_0000。包括了全部外设寄存器，也就是说，所有外设寄存器都可以用位别名区来查看。

ARM Cortex-M3权威指南的89页，分别别出计算位带别名区地址的两个关系式，如Peripheral计算为：

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

其实我的理解后一种写法更容易理解，
AliasAddr=0x42000000+(A-0x40000000)*32+n*4，
0x42000000为位别名区的起始地址；
(A-0x40000000)*32，A为寄存器地址，减去起始地址，可得出共偏移多少个字，每个字有32位，可计算出相对寄存器的起始地址；n*4，同理，每位占4个字节，几位再乘4，得出寄存器的偏移地址；一个位占用别名区中32位，四个字节。
Cortex_M3的英文内容上的91页上的例，0x23FFFFE0=0x22000000+(0xFFFFF*32)+0*4;

这种写法我认为更容易理解，除去整个外设的基地址，只有偏移地址计算，相对更容易理解。

　　在 GCC和 RealView MDK (即 Keil) 开发工具中，允许定义变量时手工指定其地址。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”通知编译器：该指针不能再被修改而指向其它地址。
　　 　// 注意：at()中的地址必须对齐到4 字节边界。
　　这样，就在0x20003014处分配了7个字，共得到了32*7=224 个比特。

　　使用这些比特时，可以通过如下的的形式：
　　　pbbaVar[136]=1; //置位第 136号比特
　　不过这有个局限：编译器无法检查是否下标越界。
　　这也是一个编译器的局限：它不知道这个数组其实就是 bbVarAry[7]，从而在计算程序对内存的占用量上，会平白无故地多计入224*4个字节。
　　对于指针义，为每个需要使用的比特取一个字面值的名字，在下标中只使用字面值名字，不再写真实的数字，就可以极大程度地避免数组越界。
　　请注意：在定义这“两个”变量时，前面加上了“volatile”。如果不再使用bbVarAry 来访问这些比特，而仅仅使用位带别名的形式访问时，这两个 volatile 均不再需要。