对STM32的GPIO位带操作的理解

支持了位带操作后，便可以使用普通的加载/储存指令来对单一的比特进行读写操作了。简单而言，就是可以单独的对一个比特位读和写。在F103中，有两个地方实现了位带操作，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。

图1.1位带区与位带别名区的膨胀对应关系图

支持位带操作的两个内存区的范围是：0x2000_0000‐0x200F_FFFF（SRAM区中的最低1MB）;0x4000_0000‐0x400F_FFFF（片上外设区中的最低1MB）。外设位带区经过膨胀后的位带别名区地址为：0X42000000~0X43FFFFFC，这部分地址空间为保留地址，没有跟任何的外设地址重合。SRAM区经过膨胀后的位带别名区地址为：0X2200 0000~0X23FF FFFC，大小为32MB。

位带区的一个比特位经过膨胀之后，虽然变大到4个字节，但是还是LSB才有效。有人会问这不是浪费空间吗，要知道F103的系统总线是32位的，按照4个字节访问的时候是最快的，所以膨胀成4个字节来访问是最高效的。我们可以通过指针的形式访问位带别名区地址从而达到操作位带区比特位的效果。那这两个地址直接如何转换，下面简单地介绍一下。

一、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：

1.AliasAddr==0x42000000+ (A-0x40000000)*8*4 +n*4

0X42000000是外设位带别名区的起始地址，0x40000000是外设位带区的起始地址，（A-0x40000000）表示该比特位前面有多少个字节，一个字节有8位，所以*8，一个位膨胀后是4个字节，所以*4，n表示该比特在A地址的序号，因为一个位经过膨胀后是四个字节，所以也*4。

二、对于SRAM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：

1．AliasAddr==0x22000000+ (A-0x20000000)*8*4 +n*4

公式的分析同上所示

三、上面公式的统一：

为了方便操作，我们可以把这两个公式合并成一个公式，把"位带地址+位序号"转换成别名区地址统一成一个宏。

//把"位带地址+位序号"转换成别名地址的宏

2 #define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x02000000+((addr &

0x000FFFFF)<<5)+(bitnum<<2))

addr&0xF0000000是为了区别SRAM还是外设，实际效果就是取出4或者2，如果是外设，则取出的是4，+0X02000000之后就等于0X42000000，0X42000000是外设别名区的起始地址。如果是SRAM，则取出的是2，+0X02000000之后就等于0X22000000，0X22000000是SRAM别名区的起始地址。

addr & 0x00FFFFFF屏蔽了高三位，相当于减去0X20000000或者0X40000000，但是为什么是屏蔽高三位？因为外设的最高地址是：0X2010 0000，跟起始地址0X20000000相减的时候，总是低5位才有效，所以干脆就把高三位屏蔽掉来达到减去起始地址的效果，具体屏蔽掉多少位跟最高地址有关。SRAM同理分析即可。<<5相当于前面公式中的*8*4，<<2相当于*4。

最后我们就可以通过指针的形式操作这些位带别名区地址，最终实现位带区的比特位操作。

//把一个地址转换成一个指针

#defineMEM_ADDR(addr)*((volatileunsignedlong*)(addr))

//把位带别名区地址转换成指针

#defineBIT_ADDR(addr,bitnum)MEM_ADDR(BITBAND(addr,bitnum))

（后文有附上对*((volatileunsignedlong*)的理解）。

从手册中我们可以知道ODR和IDR这两个寄存器对应GPIO基址的偏移是20和16，我们先实现这两个寄存器的地址映射，其中GPIOx_BASE在库函数里面有定义。接着根据下图便可理解GPIO ODR和IDR寄存器映射代码。

图1.2寄存器起始地址

//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

其中：

#define GPIOA_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x0800)

#define GPIOB_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x0C00)

#define GPIOC_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x1000)

#define GPIOD_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x1400)

#define GPIOE_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x1800)

#define GPIOF_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x1C00)

#define GPIOG_BASE(APB2PERIPH_BASE + 0x2000)

#define APB2PERIPH_BASE(PERIPH_BASE + 0x10000)

#define PERIPH_BASE((uint32_t)0x40000000)

//GPIO输入输出位操作

#define PAout(n)BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)//输出

#define PAin(n)BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n)//输入

#define PBout(n)BIT_ADDR(GPIOB_ODR_Addr,n)//输出

#define PBin(n)BIT_ADDR(GPIOB_IDR_Addr,n)//输入

#define PCout(n)BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n)//输出

#define PCin(n)BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n)//输入

#define PDout(n)BIT_ADDR(GPIOD_ODR_Addr,n)//输出

#define PDin(n)BIT_ADDR(GPIOD_IDR_Addr,n)//输入

#define PEout(n)BIT_ADDR(GPIOE_ODR_Addr,n)//输出

#define PEin(n)BIT_ADDR(GPIOE_IDR_Addr,n)//输入

#define PFout(n)BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n)//输出

#define PFin(n)BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n)//输入

#define PGout(n)BIT_ADDR(GPIOG_ODR_Addr,n)//输出

#define PGin(n)BIT_ADDR(GPIOG_IDR_Addr,n)//输入

附：对*((volatile unsigned long*)的理解：

对于不同的计算机体系结构，设备可能是端口映射，也可能是内存映射的。如果系统结构支持独立的IO地址空间，并且是端口映射，就必须使用汇编语言完成实际对设备的控制，因为C语言并没有提供真正的“端口”的概念。如果是内存映射，那就方便的多了。

以#define IOPIN(*((volatile unsigned long *) 0xE0028000))为例：作为一个宏定义语句，define是定义一个变量或常量的伪指令。首先（volatile unsigned long *）的意思是将后面的那个地址强制转换成volatile unsigned long *，unsigned long *是无符号长整形，volatile是一个类型限定符，如const一样，当使用volatile限定时，表示这个变量是依赖系统实现的，以为着这个变量会被其他程序或者计算机硬件修改，由于地址依赖于硬件，volatile就表示他的值会依赖于硬件。

volatile类型是这样的，其数据确实可能在未知的情况下发生变化。比如，硬件设备的终端更改了它，现在硬件设备往往也有自己的私有内存地址，比如显存，他们一般是通过映象的方式，反映到一段特定的内存地址当中，这样，在某些条件下，程序就可以直接访问这些私有内存了。另外，比如共享的内存地址，多个程序都对它操作的时候。你的程序并不知道，这个内存何时被改变了。如果不加这个voliatile修饰，程序是利用catch当中的数据，那个可能是过时的了，加了voliatile，就在需要用的时候，程序重新去那个地址去提取，保证是最新的。归纳起来如下：

1. volatile变量可变允许除了程序之外的比如硬件来修改他的内容2.访问该数据任何时候都会直接访问该地址处内容，即通过cache提高访问速度的优化被取消。