• 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）

    【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）

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    blog.csdn.net/weixin_53403301/article/details/125543844

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    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）

    只有位带可以直接用=赋值的方式来操作寄存器 位带是把寄存器上的每一位 膨胀到32位 映射到位带区 比如0x4002 0000地址的第0个bit 映射到位带区的0地址 那么其对应的位带映射地址为0x00 - 0x04 一共32位 但只有LSB有效 采用位带的方式用=赋值时 就是把位带区对应的LSB赋值 然后MCU再转到寄存器对应的位里面 寄存器操作时 如果不改变其他位上面的值 那就只能通过&=或者|=的方式进行

    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)


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    封装一下：

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


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    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))

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    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

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    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

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    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;
}

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    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


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    #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;
}


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    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

    附录：压缩字符串、大小端格式转换

    压缩字符串

    首先HART数据格式如下：
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    重点就是浮点数和字符串类型
    Latin-1就不说了 基本用不到

    浮点数

    浮点数里面 如 0x40 80 00 00表示4.0f

    在HART协议里面 浮点数是按大端格式发送的 就是高位先发送 低位后发送

    发送出来的数组为：40,80,00,00

    但在C语言对浮点数的存储中 是按小端格式来存储的 也就是40在高位 00在低位
    浮点数：4.0f
    地址0x1000对应00
    地址0x1001对应00
    地址0x1002对应80
    地址0x1003对应40

    若直接使用memcpy函数 则需要进行大小端转换 否则会存储为：
    地址0x1000对应40
    地址0x1001对应80
    地址0x1002对应00
    地址0x1003对应00

    大小端转换：

    void swap32(void * p)
{
   uint32_t *ptr=p;
   uint32_t x = *ptr;
   x = (x << 16) | (x >> 16);
   x = ((x & 0x00FF00FF) << 8) | ((x >> 8) & 0x00FF00FF);

   *ptr=x;
}


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    压缩Packed-ASCII字符串

    本质上是将原本的ASCII的最高2位去掉 然后拼接起来 比如空格(0x20)
    四个空格拼接后就成了
    1000 0010 0000 1000 0010 0000
    十六进制：82 08 20
    对了一下表 0x20之前的识别不了
    也就是只能识别0x20-0x5F的ASCII表
    在这里插入图片描述

    压缩/解压函数后面再写：

    //传入的字符串和数字必须提前声明 且字符串大小至少为str_len 数组大小至少为str_len%4*3 str_len必须为4的倍数
uint8_t Trans_ASCII_to_Pack(uint8_t * str,uint8_t * buf,const uint8_t str_len)
{
   if(str_len%4)
   {
      return 0;
   }
	 
   uint8_t i=0;
   memset(buf,0,str_len/4*3);	  
   for(i=0;i<str_len;i++)
   {
      if(str[i]==0x00)
      {
         str[i]=0x20;
      }
   }

   for(i=0;i<str_len/4;i++)
   {
      buf[3*i]=(str[4*i]<<2)|((str[4*i+1]>>4)&0x03);
      buf[3*i+1]=(str[4*i+1]<<4)|((str[4*i+2]>>2)&0x0F);
      buf[3*i+2]=(str[4*i+2]<<6)|(str[4*i+3]&0x3F);
   }

   return 1;
}

//传入的字符串和数字必须提前声明 且字符串大小至少为str_len 数组大小至少为str_len%4*3 str_len必须为4的倍数
uint8_t Trans_Pack_to_ASCII(uint8_t * str,uint8_t * buf,const uint8_t str_len)
{
   if(str_len%4)
   {
      return 0;
   }

   uint8_t i=0;

   memset(str,0,str_len);

   for(i=0;i<str_len/4;i++)
   {
      str[4*i]=(buf[3*i]>>2)&0x3F;
      str[4*i+1]=((buf[3*i]<<4)&0x30)|(buf[3*i+1]>>4);
      str[4*i+2]=((buf[3*i+1]<<2)&0x3C)|(buf[3*i+2]>>6);
      str[4*i+3]=buf[3*i+2]&0x3F;
   }

   return 1;
}



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    大小端转换

    在串口等数据解析中 难免遇到大小端格式问题

    什么是大端和小端

    所谓的大端模式，就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

    所谓的小端模式，就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

    简单来说：大端——高尾端，小端——低尾端

    举个例子，比如数字 0x12 34 56 78在内存中的表示形式为：

    1)大端模式：

    低地址 -----------------> 高地址

    0x12 | 0x34 | 0x56 | 0x78

    2)小端模式：

    低地址 ------------------> 高地址

    0x78 | 0x56 | 0x34 | 0x12

    可见，大端模式和字符串的存储模式类似。

    数据传输中的大小端

    比如地址位、起止位一般都是大端格式
    如：
    起始位：0x520A
    则发送的buf应为{0x52,0x0A}

    而数据位一般是小端格式（单字节无大小端之分）
    如：
    一个16位的数据发送出来为{0x52,0x0A}
    则对应的uint16_t类型数为： 0x0A52

    而对于浮点数4.0f 转为32位应是：
    40 80 00 00

    以大端存储来说 发送出来的buf就是依次发送 40 80 00 00

    以小端存储来说 则发送 00 00 80 40

    由于memcpy等函数 是按字节地址进行复制 其复制的格式为小端格式 所以当数据为小端存储时 不用进行大小端转换
    如：

    uint32_t dat=0;
uint8_t buf[]={0x00,0x00,0x80,0x40};
   memcpy(&dat,buf,4);
   float f=0.0f;
   f=*((float*)&dat); //地址强转
   printf("%f",f);

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    或更优解：

       uint8_t buf[]={0x00,0x00,0x80,0x40};   
   float f=0.0f;
   memcpy(&f,buf,4);

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    而对于大端存储的数据（如HART协议数据 全为大端格式） 其复制的格式仍然为小端格式 所以当数据为小端存储时 要进行大小端转换
    如：

    uint32_t dat=0;
uint8_t buf[]={0x40,0x80,0x00,0x00};
   memcpy(&dat,buf,4);
   float f=0.0f;
   swap32(&dat); //大小端转换
   f=*((float*)&dat); //地址强转
   printf("%f",f);

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    或：

    uint8_t buf[]={0x40,0x80,0x00,0x00};
   memcpy(&dat,buf,4);
   float f=0.0f;
   swap32(&f); //大小端转换
   printf("%f",f);

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    或更优解：

    uint32_t dat=0;
uint8_t buf[]={0x40,0x80,0x00,0x00};
   float f=0.0f;
   dat=(buf[0]<<24)|(buf[0]<<16)|(buf[0]<<8)|(buf[0]<<0)
   f=*((float*)&dat);

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    总结

    固 若数据为小端格式 则可以直接用memcpy函数进行转换 否则通过移位的方式再进行地址强转

    对于多位数据 比如同时传两个浮点数 则可以定义结构体之后进行memcpy复制（数据为小端格式）

    对于小端数据 直接用memcpy写入即可 若是浮点数 也不用再进行强转

    对于大端数据 如果不嫌麻烦 或想使代码更加简洁（但执行效率会降低） 也可以先用memcpy写入结构体之后再调用大小端转换函数 但这里需要注意的是 结构体必须全为无符号整型 浮点型只能在大小端转换写入之后再次强转 若结构体内采用浮点型 则需要强转两次

    所以对于大端数据 推荐通过移位的方式来进行赋值 然后再进行个别数的强转 再往通用结构体进行写入

    多个不同变量大小的结构体 要主要字节对齐的问题
    可以用#pragma pack(1) 使其对齐为1
    但会影响效率

    大小端转换函数

    直接通过对地址的操作来实现 传入的变量为32位的变量
    中间变量ptr是传入变量的地址

    void swap16(void * p)
{
   uint16_t *ptr=p;
   uint16_t x = *ptr;
   x = (x << 8) | (x >> 8);

   *ptr=x;
}

void swap32(void * p)
{
   uint32_t *ptr=p;
   uint32_t x = *ptr;
   x = (x << 16) | (x >> 16);
   x = ((x & 0x00FF00FF) << 8) | ((x >> 8) & 0x00FF00FF);

   *ptr=x;
}

void swap64(void * p)
{
   uint64_t *ptr=p;
   uint64_t x = *ptr;
   x = (x << 32) | (x >> 32);
   x = ((x & 0x0000FFFF0000FFFF) << 16) | ((x >> 16) & 0x0000FFFF0000FFFF);
   x = ((x & 0x00FF00FF00FF00FF) << 8) | ((x >> 8) & 0x00FF00FF00FF00FF);

   *ptr=x;
}

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