我相信很多朋友在學(xué)習(xí)單片機(jī)之前都學(xué)習(xí)過(guò)51單片機(jī)，假設(shè)在51單片機(jī)的P1.1的IO口上掛了一個(gè)LED，那么你單獨(dú)對(duì)LED的操作就是P1.1 = 0或P1.1 = 1，這樣你就可以單獨(dú)的對(duì)P1端的第一個(gè)IO口進(jìn)行上下拉操作，然而對(duì)于STM32，是沒(méi)有這種操作的，那么為了像51單片機(jī)一樣能夠單獨(dú)的對(duì)某個(gè)端的某一個(gè)IO單獨(dú)操作，就引入了__位帶操作__，簡(jiǎn)而言之，就是為了去單獨(dú)操作STM32里面PA的第1個(gè)IO口，所以才有了位帶這樣的操作機(jī)制。

1 什么是位帶操作

在講解位帶操作之前，首先要搞清楚什么是位帶操作。我們知道，32位的處理器的32位地址總線提供了4G的地址空間，幾乎所有的嵌入式產(chǎn)品是足夠用的。 Cortex-M就利用了額外的空間實(shí)現(xiàn)了稱為位帶(Bit-Banding)操作的硬件屬性，該技術(shù)使用地址空間的兩個(gè)不同區(qū)域來(lái)指向同一物理地址 。在主位帶區(qū)域，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，在“位帶別名”區(qū)域中，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)同一個(gè)數(shù)據(jù)的一個(gè)位。

如下圖所示。在CM3的寄存器映射圖中有1MB的 bit band區(qū)，這里被稱為位帶區(qū)，與之對(duì)應(yīng)的是32MB的bit band別名區(qū)，這里被稱為位帶別名區(qū)。

STM32的位帶別名區(qū)會(huì)把位帶區(qū)中的每一位膨脹成一個(gè)32位的字，所以相應(yīng)的別名區(qū)的內(nèi)存也會(huì)是位帶區(qū)的32倍。從上圖可以看出，位帶操作同時(shí)支持SRAM和片上外設(shè)，支持位帶操作的兩個(gè)內(nèi)存區(qū)域范圍如下：

SRAM區(qū)：0x20000000 ~ 0x200FFFFF，最低1M的范圍；

片上外設(shè)區(qū)： 0x40000000 ~ 0x400FFFFF，最低1M的范圍；

位帶操作就是把位帶區(qū)中一個(gè)地址的8個(gè)位分別映射到位帶別名區(qū)的8個(gè)地址（LSB有效，即最低位有效），通過(guò)操作相應(yīng)地址的方式實(shí)現(xiàn)操作某個(gè)位。以SRAM為例，位帶區(qū)和位帶別名區(qū)的映射如下圖所示：

位帶區(qū)里每個(gè)地址的每1位膨脹為別名區(qū)里一個(gè)32位的字（32位處理器中，1字=4字節(jié)），例如：0x20000000的第0位對(duì)應(yīng)0x22000000，第1位對(duì)應(yīng)0x22000004等。

2 位帶操作的計(jì)算公式

既然位帶操作屬于Cortex-M內(nèi)核的一部分，那么在Cortex-M官方手冊(cè)也是給出了相應(yīng)的計(jì)算公式的，其通用公式如下：

別名區(qū)地址 = 別名區(qū)起始地址 + (位字節(jié)地址偏移量 * 8 + n) * 4

其中，8表示一個(gè)字節(jié)有8位，4表示膨脹了4個(gè)字節(jié)，因此位帶區(qū)和位帶別名區(qū)也就是32倍的關(guān)系。

兩個(gè)區(qū)的計(jì)算公式為：

SRAM區(qū)：AliasAddr = 0x22000000 + (A - 0x20000000) * 32 + n * 4

片上外設(shè)區(qū)：AliasAddr = 0x42000000 + (A - 0x40000000)* 32 + n * 4

其中，AliasAddr是別名區(qū)的地址，A是位帶區(qū)的地址，n是該端口的上的某一位。

接下來(lái)就是對(duì)這個(gè)地址進(jìn)行操作了，寫(xiě)1，該位輸出1，寫(xiě)0，就輸出0。

3 位帶操作代碼實(shí)現(xiàn)

這里STM32F1為例，根據(jù)STM32的《RM0008 Reference manual》手冊(cè)，其GPIO的地址映射如下：

GPIOx_ODR 寄存器如下：

每個(gè)寄存器32位，占4個(gè)地址，在訪問(wèn)或修改某個(gè)寄存器時(shí)，是從首地址開(kāi)始的，邏輯運(yùn)算則是直接可涵蓋到32bit，offset 為 0x0C。GPIOA 的首地址為0x40010800，因此GPIOx_ODR 寄存器的地址為0x4001080C。則所有的GPIO映射如下：

//IO口地址映射
#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C 
#define GPIOB_ODR_Addr    (GPIOB_BASE+12) //0x40010C0C 
#define GPIOC_ODR_Addr    (GPIOC_BASE+12) //0x4001100C 
#define GPIOD_ODR_Addr    (GPIOD_BASE+12) //0x4001140C 
#define GPIOE_ODR_Addr    (GPIOE_BASE+12) //0x4001180C 
#define GPIOF_ODR_Addr    (GPIOF_BASE+12) //0x40011A0C    
#define GPIOG_ODR_Addr    (GPIOG_BASE+12) //0x40011E0C    

#define GPIOA_IDR_Addr    (GPIOA_BASE+8) //0x40010808 
#define GPIOB_IDR_Addr    (GPIOB_BASE+8) //0x40010C08 
#define GPIOC_IDR_Addr    (GPIOC_BASE+8) //0x40011008 
#define GPIOD_IDR_Addr    (GPIOD_BASE+8) //0x40011408 
#define GPIOE_IDR_Addr    (GPIOE_BASE+8) //0x40011808 
#define GPIOF_IDR_Addr    (GPIOF_BASE+8) //0x40011A08 
#define GPIOG_IDR_Addr    (GPIOG_BASE+8) //0x40011E08

上述只是位帶區(qū)的地址，根據(jù)位帶操作的計(jì)算公式，則操作位帶別名區(qū)的地址方法如下：

//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))

以上代碼的第一句是轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，當(dāng)然相對(duì)的前面的計(jì)算公式做了優(yōu)化，也就是將SRAM和片上外設(shè)合并在一起。addr & 0XF0000000 得到SRAM和片上外設(shè)的首地址，然后加0x2000000表示位帶別名區(qū)相對(duì)位帶區(qū)的偏移量，(addr &0xFFFFF)<<5)和(bitnum<<2)就是前面“*32”和“*4”，只是換成了移位操作，因?yàn)橐莆徊僮飨鄬?duì)乘法運(yùn)算速度更快。

好了，接下來(lái)使用位帶操作來(lái)寫(xiě)一個(gè)GPIO流水燈，同時(shí)使用庫(kù)函數(shù)來(lái)做比較。

【main.c】

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f1_bsp_led.h"

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/*簡(jiǎn)單延時(shí)函數(shù)*/
void Delay(uint32_t xms); 

/* Private functions ---------------------------------------------------------*/

/**
  * @brief     主函數(shù)
  * @param     None
  * @retval    
  */
int main(void)
{
    /* LED 初始化 */
    LED_GPIO_Config();
 
    while (1)
    {
#if 0
        GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);  // 亮
        Delay(0xfFfff);
        GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);  // 滅

        GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6);  // 亮
        Delay(0xfFfff);
        GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6);  // 滅

        GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7);  // 亮
        Delay(0xffFff);
        GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7);  // 滅
#else
        PBout(0) = 1;  // 亮
        Delay(0xfFfff);
        PBout(0) = 0;  // 滅

        PGout(6) = 1;  // 亮
        Delay(0xfFfff);
        PGout(6) = 0;  // 滅

        PGout(7) = 1;  // 亮
        Delay(0xffFff);
        PGout(7) = 0;  // 滅
#endif

    }
}

/**
  * @brief  延時(shí)函數(shù)
  * @param  
            xms 延時(shí)長(zhǎng)度
  * @retval None
  */
void Delay( uint32_t xms)
{
    //for(; nCount != 0; nCount--);（方法一）
    while(xms--);//（方法二）
}

【stm32f1_bsp_led.c】

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f1_bsp_led.h"

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/* Private functions ---------------------------------------------------------*/

/**
  * @brief  初始化LED的GPIO
  * @param  None
  * @retval None
  */
void LED_GPIO_Config(void)
{
    /*定義一個(gè)GPIO_InitTypeDef類型的結(jié)構(gòu)體*/
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /*開(kāi)啟LED的外設(shè)時(shí)鐘*/
    RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOG, ENABLE); 

    /*設(shè)置IO口*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //設(shè)置引腳模式為通用推挽輸出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; //設(shè)置引腳速率為50MHz 

    /*調(diào)用庫(kù)函數(shù)，初始化GPIOB0*/
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;  //選擇要控制的GPIOB引腳
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;/*選擇要控制的引腳*/
    GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStructure);

    /* 開(kāi)啟所有l(wèi)ed燈*/
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
    GPIO_SetBits(GPIOG, GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);	 
}

【stm32f1_bsp_led.h】

#ifndef __STM32F1_BSP_LED_H__
#define __STM32F1_BSP_LED_H__

#ifdef __cplusplus
 extern "C" {
#endif 

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"

/* Exported types ------------------------------------------------------------*/
/* Exported constants --------------------------------------------------------*/
/* Exported macro ------------------------------------------------------------*/
//位帶操作,實(shí)現(xiàn)51類似的GPIO控制功能
//具體實(shí)現(xiàn)思想,參考<
//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口地址映射
#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C 
#define GPIOB_ODR_Addr    (GPIOB_BASE+12) //0x40010C0C 
#define GPIOC_ODR_Addr    (GPIOC_BASE+12) //0x4001100C 
#define GPIOD_ODR_Addr    (GPIOD_BASE+12) //0x4001140C 
#define GPIOE_ODR_Addr    (GPIOE_BASE+12) //0x4001180C 
#define GPIOF_ODR_Addr    (GPIOF_BASE+12) //0x40011A0C    
#define GPIOG_ODR_Addr    (GPIOG_BASE+12) //0x40011E0C    

#define GPIOA_IDR_Addr    (GPIOA_BASE+8) //0x40010808 
#define GPIOB_IDR_Addr    (GPIOB_BASE+8) //0x40010C08 
#define GPIOC_IDR_Addr    (GPIOC_BASE+8) //0x40011008 
#define GPIOD_IDR_Addr    (GPIOD_BASE+8) //0x40011408 
#define GPIOE_IDR_Addr    (GPIOE_BASE+8) //0x40011808 
#define GPIOF_IDR_Addr    (GPIOF_BASE+8) //0x40011A08 
#define GPIOG_IDR_Addr    (GPIOG_BASE+8) //0x40011E08 
 
//IO口操作,只對(duì)單一的IO口!
//確保n的值小于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 ON  1
#define OFF 0

/* 帶參宏，可以像內(nèi)聯(lián)函數(shù)一樣使用 */
#define LED1(a)    if (a)    \\
                    GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0);\\
                    else        \\
                    GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_0)

#define LED2(a)    if (a)    \\
                    GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6);\\
                    else        \\
                    GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_6)

#define LED3(a)    if (a)    \\
                    GPIO_SetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7);\\
                    else        \\
                    GPIO_ResetBits(GPIOG,GPIO_Pin_7)


/* 直接操作寄存器的方法控制IO */
#define    digitalHi(p,i)            {p->BSRR=i;}            //設(shè)置為高電平        
#define    digitalLo(p,i)            {p->BRR=i;}             //輸出低電平
#define    digitalToggle(p,i)        {p->ODR ^=i;}           //輸出反轉(zhuǎn)狀態(tài)


/* 定義控制IO的宏 */
#define LED1_TOGGLE        digitalToggle(GPIOB,GPIO_Pin_0)
#define LED1_ON            digitalHi(GPIOB,GPIO_Pin_0)
#define LED1_OFF           digitalLo(GPIOB,GPIO_Pin_0)

#define LED2_TOGGLE        digitalToggle(GPIOC,GPIO_Pin_4)
#define LED2_ON            digitalHi(GPIOG,GPIO_Pin_6)
#define LED2_OFF           digitalLo(GPIOG,GPIO_Pin_6)

#define LED3_TOGGLE        digitalToggle(GPIOC,GPIO_Pin_3)
#define LED3_ON            digitalHi(GPIOG,GPIO_Pin_7)
#define LED3_OFF           digitalLo(GPIOG,GPIO_Pin_7)
/* Exported functions ------------------------------------------------------- */
void LED_GPIO_Config(void);

#ifdef cplusplus
}
#endif

#endif /* __STM32F1_BSP_LED_H__ */

不管使用哪種方式，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都是一樣的，但是使用位帶操作更方便些，操作者步驟更少，下面舉例說(shuō)明。

實(shí)例：欲設(shè)置地址 0x2000_0000 中的比特 2，則使用普通操作和位帶操作的設(shè)置過(guò)程如下圖所示：

普通操作和位帶操作的匯編對(duì)比代碼如下：

位帶讀操作相對(duì)簡(jiǎn)單，普通操作和位帶操作的設(shè)置過(guò)程如下圖所示：

普通操作和位帶操作的匯編對(duì)比代碼如下：

可以看出位帶操作的步驟更少，相對(duì)普通操作更簡(jiǎn)潔。

而且位帶操作屬于原子操作，在多任務(wù)系統(tǒng)中，位帶操作可以解決共享資源中的紊亂危象，關(guān)于該部分內(nèi)容可以參看《Cortex-M3權(quán)威指南》。

__總的來(lái)說(shuō)，位帶的主要優(yōu)點(diǎn)__是數(shù)據(jù)的一個(gè)單獨(dú)位可以通過(guò)一條指令來(lái)讀或者寫(xiě)，而不需要操作一些利的寄存器。例如，一條從位帶別名區(qū)域地址進(jìn)行讀操作的LDR指令會(huì)將值0或者1加1載入寄存器。類似的，一條STR指令在向位帶別名區(qū)的地址寫(xiě)入時(shí)，只是修改主區(qū)域中數(shù)據(jù)的一位。當(dāng)然修改需要由硬件來(lái)執(zhí)行讀寫(xiě)操作，但是只有一條指令(STR)被取指并執(zhí)行。

審核編輯：湯梓紅