Cortex-M架构MCU位带操作最详细解析（主要以STM32为例，包括判断哪些MCU可用）

news2025/3/1 16:16:08

Cortex-M架构MCU位带操作最详细解析（主要以STM32为例，包括判断哪些MCU可用）

代码实践部分直接跳转：
https://blog.csdn.net/weixin_53403301/article/details/125543844

一、位带操作理论及实践

位带操作的概念其实30年前就有了，那还是 CM3 将此能力进化，这里的位带操作是 8051 位寻址区的威力大幅加强版

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：这中途有一个 地址映射过程）

位带操作对于硬件 I/O 密集型的底层程序最有用处

支持了位带操作后，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CM4中，有两个区中实现了位带。其中一个是SRAM区的最低1MB范围，第二个则是片内外设区的最低1MB范围。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。

位操作就是可以单独的对一个比特位读和写，类似与51中sbit定义的变量，stm32中通过访问位带别名区来实现位操作的功能
STM32中有两个地方实现了位带，一个是SRAM，一个是片上外设。
在这里插入图片描述
（1）位带本质上是一块地址区（例如每一位地址位对应一个寄存器）映射到另一片地址区（实现每一位地址位对应一个寄存器中的一位），该区域就叫做位带别名区，将每一位膨胀成一个32位的字。
（2）位带区的4个字节对应实际寄存器或内存区的一个位，虽然变大到4个字节，但实际上只有最低位有效（代表0或1）

在这里插入图片描述

要设置0x2000 0000这个字节的第二个位bit2为1,使用位带操作的步骤有：
1、将1写入位 带别名区对应的映射地址（即0x22000008,因为1bit对应4个byte）；
2、将0x2000 0000的值 读取到内部的缓冲区（这一步骤是内核完成的，属于原子操作，不需要用户操作）；
3、将bit2置1，再把值写 回到0x2000 0000(属于原子操作，不需要用户操作)。

关于GPIO引脚对应的访问地址，可以参考以下公式
寄存器位带别名 = 0x42000000 + (寄存器的地址-0x40000000)32 + 引脚编号4

如：端口F访问的起始地址GPIOF_BASE

#define GPIOF ((GPIO_TypeDef *)GPIOF_BASE)

在这里插入图片描述

但好在官方库里面都帮我们定义好了 只需要在BASE地址加上便宜即可

例如：

GPIOF的ODR寄存器的地址 = GPIOF_BASE + 0x14

寄存器位带别名 = 0x42000000 + (寄存器的地址-0x40000000)32 + 引脚编号4

设置PF9引脚的话：

uint32_t *PF9_BitBand =
*(uint32_t *)(0x42000000 + ((uint32_t )&GPIOF->ODR– 0x40000000) *32 + 9*4)

封装一下：

#define PFout(x) *(volatile uint32_t *)(0x42000000 + ((uint32_t )&GPIOF->ODR – 0x40000000) *32 + x*4)

现在 可以把通用部分封装成一个小定义：

#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))

那么 设置PF引脚的函数可以定义：

#define GPIOF_ODR_Addr    (GPIOF_BASE+20) //0x40021414   
#define GPIOF_IDR_Addr    (GPIOF_BASE+16) //0x40021410 

#define PF_O(n)   	BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PF_I(n)    	BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n)  //输入

若使PF9输入输出则：

PF_O(9)=1;  //输出高电平
uint8_t dat = PF_I(9);  //获取PF9引脚的值

总线输入输出：

void PF_BUS_O(unsigned int num)  //输入值num最大为0xFFFF
{
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		PF_O(i)=(num>>i)&0x0001;
	}
}
unsigned int PF_BUS_I(void)  //输出值num最大为0xFFFF
{
	unsigned int num;
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		num=num+(PF_I(i)<<i)&0xFFFF;
	}
	return num;
}

适用于所有STM32的位带操作和其他CM架构的位带请看：
https://blog.csdn.net/weixin_53403301/article/details/125543844
【最新】基于Cortex-M0、M3、M4的GPIO口位带操作宏定义（可总线输入输出，可用于STM32、ADuCM4050等）

STM32的可用下面的函数：

#ifndef __GPIO_H__
#define __GPIO_H__
#include "stm32l496xx.h"

#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))

#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 
 
#define PA_O(n)   	BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PA_I(n)    	BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n)  //输入 

#define PB_O(n)   	BIT_ADDR(GPIOB_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PB_I(n)    	BIT_ADDR(GPIOB_IDR_Addr,n)  //输入 

#define PC_O(n)   	BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PC_I(n)    	BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n)  //输入 

#define PD_O(n)   	BIT_ADDR(GPIOD_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PD_I(n)    	BIT_ADDR(GPIOD_IDR_Addr,n)  //输入 

#define PE_O(n)   	BIT_ADDR(GPIOE_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PE_I(n)    	BIT_ADDR(GPIOE_IDR_Addr,n)  //输入

#define PF_O(n)   	BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PF_I(n)    	BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n)  //输入

#define PG_O(n)   	BIT_ADDR(GPIOG_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PG_I(n)    	BIT_ADDR(GPIOG_IDR_Addr,n)  //输入

#define PH_O(n)   	BIT_ADDR(GPIOH_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PH_I(n)    	BIT_ADDR(GPIOH_IDR_Addr,n)  //输入

#define PI_O(n)			BIT_ADDR(GPIOI_ODR_Addr,n)  //输出 
#define PI_I(n)   	BIT_ADDR(GPIOI_IDR_Addr,n)  //输入

void PA_BUS_O(unsigned int num);
unsigned int PA_BUS_I(void);

void PB_BUS_O(unsigned int num);
unsigned int PB_BUS_I(void);

void PC_BUS_O(unsigned int num);
unsigned int PC_BUS_I(void);

void PD_BUS_O(unsigned int num);
unsigned int PD_BUS_I(void);

void PE_BUS_O(unsigned int num);
unsigned int PE_BUS_I(void);

void PF_BUS_O(unsigned int num);
unsigned int PF_BUS_I(void);

void PG_BUS_O(unsigned int num);
unsigned int PG_BUS_I(void);

void PH_BUS_O(unsigned int num);
unsigned int PH_BUS_I(void);

void PI_BUS_O(unsigned int num);
unsigned int PI_BUS_I(void);

#endif


#include "GPIO.h"

void PA_BUS_O(unsigned int num)  //输入值num最大为0xFFFF
{
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		PA_O(i)=(num>>i)&0x0001;
	}
}
unsigned int PA_BUS_I(void)  //输出值num最大为0xFFFF
{
	unsigned int num;
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		num=num+(PA_I(i)<<i)&0xFFFF;
	}
	return num;
}

void PB_BUS_O(unsigned int num)  //输入值num最大为0xFFFF
{
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		PB_O(i)=(num>>i)&0x0001;
	}
}
unsigned int PB_BUS_I(void)  //输出值num最大为0xFFFF
{
	unsigned int num;
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		num=num+(PB_I(i)<<i)&0xFFFF;
	}
	return num;
}

void PC_BUS_O(unsigned int num)  //输入值num最大为0xFFFF
{
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		PC_O(i)=(num>>i)&0x0001;
	}
}
unsigned int PC_BUS_I(void)  //输出值num最大为0xFFFF
{
	unsigned int num;
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		num=num+(PC_I(i)<<i)&0xFFFF;
	}
	return num;
}

void PD_BUS_O(unsigned int num)  //输入值num最大为0xFFFF
{
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		PD_O(i)=(num>>i)&0x0001;
	}
}
unsigned int PD_BUS_I(void)  //输出值num最大为0xFFFF
{
	unsigned int num;
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		num=num+(PD_I(i)<<i)&0xFFFF;
	}
	return num;
}

void PE_BUS_O(unsigned int num)  //输入值num最大为0xFFFF
{
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		PE_O(i)=(num>>i)&0x0001;
	}
}
unsigned int PE_BUS_I(void)  //输出值num最大为0xFFFF
{
	unsigned int num;
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		num=num+(PE_I(i)<<i)&0xFFFF;
	}
	return num;
}

void PF_BUS_O(unsigned int num)  //输入值num最大为0xFFFF
{
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		PF_O(i)=(num>>i)&0x0001;
	}
}
unsigned int PF_BUS_I(void)  //输出值num最大为0xFFFF
{
	unsigned int num;
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		num=num+(PF_I(i)<<i)&0xFFFF;
	}
	return num;
}

void PG_BUS_O(unsigned int num)  //输入值num最大为0xFFFF
{
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		PG_O(i)=(num>>i)&0x0001;
	}
}
unsigned int PG_BUS_I(void)  //输出值num最大为0xFFFF
{
	unsigned int num;
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		num=num+(PG_I(i)<<i)&0xFFFF;
	}
	return num;
}

void PH_BUS_O(unsigned int num)  //输入值num最大为0xFFFF
{
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		PH_O(i)=(num>>i)&0x0001;
	}
}
unsigned int PH_BUS_I(void)  //输出值num最大为0xFFFF
{
	unsigned int num;
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		num=num+(PH_I(i)<<i)&0xFFFF;
	}
	return num;
}

void PI_BUS_O(unsigned int num)  //输入值num最大为0xFFFF
{
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		PI_O(i)=(num>>i)&0x0001;
	}
}
unsigned int PI_BUS_I(void)  //输出值num最大为0xFFFF
{
	unsigned int num;
	int i;
	for(i=0;i<16;i++)
	{
		num=num+(PI_I(i)<<i)&0xFFFF;
	}
	return num;
}

二、如何判断MCU的外设是否支持位带

根据《ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南(第3版)》中第6章第7节描述
在这里插入图片描述
也就是说 要实现对GPIO的位带操作 必须保证GPIO位于外设区域的第一个1MB中
第一个1MB应该是0x4010 0000之前 位带不是直接操作地址 而是操作地址映射 地址映射被操作以后 MCU自动会修改对应寄存器的值

位带区只有1MB 所以只能改0x4000 0000 - 0x400F FFFF的寄存器
像F4系列 GPIO的首地址为0x4002 0000 就可以用位带来更改

STM32L476的GPIO就不行：
在这里插入图片描述
AHB2的都不能用位带
ABP 还有AHB1都可以用
在这里插入图片描述
但是L476的寄存器里面 GPIO和ADC都是AHB2

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