位带操作：单片机原理及接口技术

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Cortex-M3中，有两个区中实现了位带。其中第一个是SRAM区的最低1 MB范围，第二个则是片内外设区的最低1 MB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。位带区与位带别名区的膨胀及对应关系如图3.18、图3.19所示。

图3.18　位带区与位带别名区的膨胀关系图

图3.19　位带区与位带别名区的膨胀对应关系图

例如：欲设置地址0x2000_0000中的比特2，则使用位带操作的设置过程如图3.20所示。

图3.20　写数据到位带别名区

对应的汇编代码如图3.21所示。

图3.21　位带操作与普通操作的对比（在汇编程序的角度）

位带读操作相对简单些，从位带别名区中读取比特数据如图3.22所示；读取比特数据时传统方法与位带方法的比较如图3.23所示。

图3.22　从位带别名区中读取比特数据

图3.23　读取比特数据时传统方法与位带方法的比较

位带操作的概念其实30多年前就有了，那还是8051单片机开创的先河。如今，Cortex-M3将此能力进化，这里的位带操作是8051位寻址区的增强版。

Cortex-M3使用如下术语来表示位带存储的相关地址：

①位带区：支持位带操作的地址区；

②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）。

在位带区中，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。当一个别名地址被访问时，会先把该地址变换成位带地址。对于读操作，读取位带地址中的一个字，再把需要的位右移到LSB，并把LSB返回。对于写操作，把需要写的位左移至对应的位序号处，然后执行一个原子的“读—改—写”过程。

支持位带操作的两个内存区的范围是：

对于SRAM位带区的某个比特，记它所在字节地址为A，位序号为n（0≤n≤7），则该比特在别名区的地址为：

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，记它所在字节的地址为A，位序号为n（0≤n≤7），则该比特在别名区的地址为：

AliasAddr=0x42000000+[(A-0x40000000)×8+n]×4=0x42000000+(A-0x40000000)×32+n×4

上式中，“×4”表示一个字为4个字节，“×8”表示一个字节中有8个比特。

对于SRAM内存区，位带别名的重映射见表3.6。

表3.6　SRAM区中的位带地址映射

对于片上外设，映射关系见表3.7。

表3.7　片上外设区中的位带地址映射

这里再举一个位带操作的例子：

①在地址0x20000000处写入0x3355AACC。

②读取地址0x22000008。本次读访问将读取0x20000000，并提取bit2，值为1。

③往地址0x22000008处写0。本次操作将被映射成对地址0x20000000的“读—改—写”操作（原子的），把bit2清零。

④现在再读取0x20000000，将返回0x3355AAC8（bit2已清零）。(www.xing528.com)

位带别名区的字只有LSB有意义。另外，在访问位带别名区时，不管使用哪一种长度的数据传送指令（字/半字/字节），都把地址对齐到字的边界上，否则会产生不可预料的结果。

（1）位带操作的优越性

位带操作有什么优越性呢？最容易想到的就是通过GPIO的管脚来单独控制每盏LED的点亮与熄灭。此外，也对操作串行接口器件提供了很大的方便（典型如74HC165、CD4094）。总之位带操作对硬件I/O密集型的底层程序最有用处。

位带操作还能用来简化跳转的判断。当跳转依据是某个位时，以前必须这样做：

①读取整个寄存器；

②屏蔽不需要的位；

③比较并跳转。

现在只需：

①从位带别名区读取状态位；

②比较并跳转。

使代码更简洁，这只是位带操作优越性的初等体现，位带操作还有一个重要的好处是在多任务中，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——所谓的“原子操作”。以前的“读—改—写”需要3条指令，导致中间留有两个能被中断的空当，于是可能会出现如图3.24所示的紊乱现象。

图3.24　共享资源在紊乱现象下丢失数据演示

同样的紊乱现象可以出现在多任务的执行环境中。其实，图3.24所演示的情况可以看成多任务的一个特例：主程序是一个任务，ISR是另一个任务，这两个任务并发执行。

通过使用Cortex-M3的位带操作，就可以消灭上例中的紊乱现象。Cortex-M3把这个“读—改—写”做成一个硬件级别支持的原子操作，不能被中断，如图3.25所示。

图3.25　通过位带操作实现互锁访问

同样的道理，多任务环境中的紊乱现象也可以通过互锁访问来避免。

（2）其他数据长度上的位带操作

位带操作并不只限于以字为单位的传送，也可以按半字和字节为单位传送。例如，可以使用LDRB/STRB来以字节为长度单位去访问位带别名区，同理可用于LDRH/STRH。但是不管用哪一种数据长度的操作指令，都必须保证目标地址对齐到字的边界上。

（3）在C语言中使用位带操作

不幸的是，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：

为简化位带操作，也可以定义一些宏。比如，我们可建立一个把“位带地址+位序号”转换成别名地址的宏，再建立一个把别名地址转换成指针类型的宏：

//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))

在此基础上，我们就可以改写如下代码：

需要注意的是：当使用位带功能时，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比特可以有两个地址。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（这和Cache的原理是一样的）。

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）））；//位带区

volatile unsigned long∗const pbbaVar=（void∗）（0x22000000+0x3014∗8∗4）；//位带别名区

这样，就在0x20003014处分配了7个字，共得到了32×7=224个比特。在long∗后面的“const”通知编译器，该指针不能再被修改而指向其他地址。at（）中的地址必须对齐到4字节边界。再使用这些比特时，可以通过如下的形式：

不过这种方式有个局限，编译器无法检查是否下标越界。那为什么不定义成“pbbaVar[224]”的数组呢？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。对于指针形式的定义，可以使用宏定义，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。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，而只使用位带别名的形式访问时，这两个volatile就均不再需要。