我对STM32所用位带操作宏的超详细剖析、优势分析及应用推广探索研究(持续更新,欢迎讨论交流)

2019-07-20 23:21发布

本帖最后由 warship 于 2018-7-16 19:56 编辑

在原子例程的sys.h中,使用宏定义建立了位带操作的基础,
使得操作IO端口可以像51一样实现位操作。
其实深入了解了位带操作的原理,几乎就可以实现对STM32所有外设寄存器的访问,
极端情况下,什么库函数版本,什么寄存器版本都可以不用,直接精准地操控所有寄存器的每一位的读写!!!

知道了STM32将所有外设寄存器的每一位都建立了位带别名区,
你只要再花一点点时间,彻底搞明白下面的三句宏定义,位带操作就都不在话下了:
#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))



************************************************************************************************
注:本文后文所探索的寄存器位段操作宏定义包含在另文所附范例(外部中断试验的工程包)中,并随时更新。
有需要研究探讨的网友,可移步下载http://www.openedv.com/forum.php ... d=274724&extra=


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49条回答
warship
1楼-- · 2019-07-21 00:43
本帖最后由 warship 于 2018-7-3 22:34 编辑

这三句是一环套一环的,
首先第一句:
#define    BITBAND(addr, bitnum)          ((addr & 0xF000 0000)+0x200 0000+((addr &0xF FFFF)<<5)+(bitnum<<2))
这一句定义了位带存储地址的计算方法,
知道了寄存器的地址,以及我们关心的寄存器的某一比特位,就可以根据此计算方法算出其对应的别名区地址
这个计算公式不仅对外设寄存器对应的别名区计算有用,对用户SRAM对应的别名区一样适用。
addr & 0xF000 0000 只取绝对地址的最高4位,实际上是用来区分段的,是寄存器段还是SRAM段。
+0x200 0000(值为32M)是别名区相对位段区的地址偏移量,别名区在相应位段上方的32M处;
(addr &0xF FFFF)<<5) 位段地址膨胀32倍,左移5位即可;
(bitnum<<2)由于每1比特膨胀为32位,32位占用4个字节的存储位置,所以计算地址时要乘以4,左移2位即是;

然后是第二句
#define   MEM_ADDR(addr)            *((volatile unsigned long  *)(addr))
上一句计算出来的地址只是一个数值,要将它强制转化成一个地址(并且声明这个地址存储的是一个32位的long型变量)
用(unsigned long  *)(addr) 即可,这样就成了一个真正的有血有肉的地址了。
前面再加一个*号,就可以访问这个地址得到其中的变量值了。
在C语言中,unsigned char *p; 定义p为一个指向unsigned char的地址指针;而 *p=1;就是向这个指针指向的地址所存储的变量赋值为1了。
至于中间加一个volatile关键字,则指示编译器不要自作主张对此进行优化,必须每次老老实实地去直接访问这个地址!!!

第三句呢?毫无难度,就是以前两句宏为基础的结合
#define BIT_ADDR(addr, bitnum)       MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))
给定寄存器的绝对地址addr,以及我们关心的比特位号bitnum,
先用BITBAND宏算出别名区对应的地址值
再用MEM_ADDR宏去访问这个地址
warship
2楼-- · 2019-07-21 04:03
 精彩回答 2  元偷偷看……
warship
3楼-- · 2019-07-21 06:35
本帖最后由 warship 于 2018-7-3 22:41 编辑

怎么是这样的呢?因为有前面这些宏定义为基础,
反正闲着没事儿,我就当一回编译器,把这句PAout(9)=1一步步地编译出来,宏的展开就是一个替换的过程:
PAout(9)=1;因为定义了PAout(n) 要替换成 BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n),所以展开成:
BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,9)=1;因为定义了BIT_ADDR(addr, bitnum) 要替换成 MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum)),所以展开成:
MEM_ADDR(BITBAND(GPIOA_ODR_Addr, 9))=1;因为定义了BIT_ADDR(addr, bitnum) 要替换成 MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum)),所以展开成:
MEM_ADDR((GPIOA_ODR_Addr & 0xF0000000)+0x2000000+((GPIOA_ODR_Addr &0xFFFFF)<<5)+(9<<2))=1;
最后一步,因为定义了MEM_ADDR(addr)要替换成 *((volatile unsigned long  *)(addr))
所以展开成为如下的语句,不要晕倒哦,*((volatile unsigned long  *)((GPIOA_ODR_Addr & 0xF0000000)+0x2000000+((GPIOA_ODR_Addr &0xFFFFF)<<5)+(9<<2)))=1;

神奇吧?
一句  PAout(9)=1;
与     *((volatile unsigned long  *)((GPIOA_ODR_Addr & 0xF0000000)+0x2000000+((GPIOA_ODR_Addr &0xFFFFF)<<5)+(9<<2)))=1;
是完全等效的。

而这,就是宏定义的效能和魅力!


warship
4楼-- · 2019-07-21 07:32
本帖最后由 warship 于 2018-7-3 22:49 编辑

还有:因为定义了GPIOA_ODR_Addr就是(0x4001 0800+0C),哦,等一下,我先算出数值来吧,GPIOA_ODR_Addr就是0x4001 080C,得到:   
*((volatile unsigned long  *)((0x4001 080C & 0xF0000000)+0x2000000+((0x4001 080C &0xFFFFF)<<5)+(9<<2)))=1;

看着很长,其实有了具体数值,算出结果就短了:
解&运算符:得到*((volatile unsigned long  *)(0x4000 0000 +0x200 0000+(0x0001 080C<<5)+(9<<2)))=1;
即:*((volatile unsigned long  *)(0x4200 0000 +(0x0001 080C<<5)+(9<<2)))=1;
解移位运算符:9=1001 经过<<2得到 100100 即0x24;
1 080C=0001 0000 1000 0000 1100经过<<5得到0010 0001 0000 0001 1000 0000 即0x21 0180
所以语句变成:*((volatile unsigned long  *)(0x4200 0000 + 0x21 0180 + 0x24)=1;
最后结果就是如下语句(以上这些过程都只是预编译器干的话,实际交付编译器的也就是下面这一句):
*((volatile unsigned long  *)(0x4221 01A4)=1;
说成大白话,就是给0x4221 01A4这个地址中所存储的变量赋值为1.  
   
(注意:这个变量是一个long型的,32位,占用从0x4221 01A4开始的连续4个存储单元)
但是ARM的设计师们并没有在物理上设计这些存储单元(也永远不允许这些存储单元实际存在!!!),取而代之的是设计了位映射机制:
凡是访问别名区域地址的操作,都被转换为访问其所映射对应的比特位
*(0x4221 01A4)=1的执行结果就是:GPIOA的ODR寄存器第9位=1




warship
5楼-- · 2019-07-21 07:58
 精彩回答 2  元偷偷看……
warship
6楼-- · 2019-07-21 13:58
另外还要指出的是:
虽然位段区的每一位都被映射到别名区膨胀到了32位,
但这32位只是个名头而已,实际只有最低位有效。

对别名区的访问,是双向的:
对别名区的读:结果非0即1,反应的是对应位段的某一比特位的值。
对别名区的写:只有最低位有效,效果是将对应位段区的某一比特位置1或清0.    写入0和写入FE效果是完全一样的。

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