[GPIO]推荐一种超简单的硬件位带bitband操作方法，让变量，寄存器控制，IO访问更便捷，无需用户计算位置

2023-10-24 12:34:34

说明：

M3，M4内核都支持硬件位带操作，M7内核不支持。

硬件位带操作优势

优势1：

比如我们在地址0x2000 0000定义了一个变量unit8_t a, 如果我们要将此变量的bit0清零，而其它bit不变。

a & = ~0x01

这个过程就需要读变量a，修改bit0，然后重新赋值给变量a，也就是读 - 修改 - 写经典三部曲，如果我们使用硬件位带就可以一步就完成，也就是所谓的原子操作，优势是不用担心中断或者RTOS任务打断。

优势2：
操作便捷，适合用于需要频繁操作修改的场合，移植性强。不频繁的直接标准库或者HAL库配置即可。

背景知识

这个点知道不知道都没有关系，不影响我们使用硬件位带，可以直接看下面案例的操作方法，完全不需要用户去了解。

位带操作就是对变量每个bit的操作，以M4内核的STM32F4为例：

（1）将1MB地址范围 0x20000000 - 0x200FFFFF 映射到32MB空间范围0x22000000 - 0x23FFFFFF ----> 这个对应STM32F4的通用RAM空间。

也就是说1MB空间每个bit都拓展为32bit来访问控制

下面这个图非常具有代表性。
0x20000000地址的字节变量 bit0 映射到0x22000000来控制。
0x20000000地址的字节变量 bit1 映射到0x22000004来控制。
0x20000000地址的字节变量 bit2 映射到0x22000008来控制。
..........依次类推

（2）将1MB地址范围 0x40000000 - 0x400FFFFF 映射到32MB空间范围0x42000000 - 0x43FFFFFF ----> 这个对应STM32F4的外设空间。

同样也是1MB空间每个bit都拓展为32bit来访问控制

（3）举例，比如访问0x2000 0010地址里面字节变量的bit2

那么实际要访问的就是：

bit_word_addr = bit_band_base + (byte_offset x 32) + (bit_number × 4)

0x22000208 = 0x22000000 + (0x10*32) + (2*4)

通过对地址空间0x22000208 进行赋值为0x01就表示bit2置位，赋值为0x00就表示bit2清零，对这个地址空间读取操作就可以反应bit2的数值。

超简单实现方案和四个经典案例

这种硬件未带让用户去使用非常不方便，还需要倒腾地址计算。

这里以MDK为例，提供一种IDE支持的，直接加后缀__attribute__((bitband))即可，对于M3和M4可以直接转换为硬件位带实现。

案例1：超简单控制RAM空间变量：

定义：

typedef struct {
  uint8_t bit0 : 1;
  uint8_t bit1 : 1;
  uint8_t bit2 : 1;
  uint8_t bit3 : 1;        
  uint8_t bit4 : 1;
  uint8_t bit5 : 1;
  uint8_t bit6 : 1;
  uint8_t bit7 : 1;                
} TEST __attribute__((bitband));

TEST tTestVar;

我们定义了一个8bit的变量tTestVar，控制每个bit的方法如下：

tTestVar.bit0 = 1;
tTestVar.bit1 = 1;        
tTestVar.bit2 = 1;
tTestVar.bit3 = 0;        
tTestVar.bit4 = 0;
tTestVar.bit5 = 1;        
tTestVar.bit6 = 1;
tTestVar.bit7 = 1;

看汇编，已经修改为硬件位带：

案例2：超简单控制GPIO输入输出寄存器：

GPIO里面最常用的就是输入输出。

GPIO输出寄存器定义如下，每个bit控制一个IO引脚。

我们软件定义如下：

typedef struct {
  uint16_t ODR0 : 1;
  uint16_t ODR1 : 1;
  uint16_t ODR2 : 1;
  uint16_t ODR3 : 1;        
  uint16_t ODR4 : 1;
  uint16_t ODR5 : 1;
  uint16_t ODR6 : 1;
  uint16_t ODR7 : 1;        
  uint16_t ODR8 : 1;
  uint16_t ODR9 : 1;
  uint16_t ODR10 : 1;
  uint16_t ODR11 : 1;        
  uint16_t ODR12 : 1;
  uint16_t ODR13 : 1;
  uint16_t ODR14 : 1;
  uint16_t ODR15 : 1;        
  uint16_t Reserved : 16;        
} GPIO_ORD  __attribute__((bitband));

GPIO_ORD *GPIOA_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOA->ODR);
GPIO_ORD *GPIOB_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOB->ODR);
GPIO_ORD *GPIOC_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOC->ODR);
GPIO_ORD *GPIOD_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOD->ODR);
GPIO_ORD *GPIOE_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOE->ODR);
GPIO_ORD *GPIOF_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOF->ODR);
GPIO_ORD *GPIOJ_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOJ->ODR);
GPIO_ORD *GPIOK_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOK->ODR);

GPIO输入寄存器定义如下：

我们软件定义如下：

typedef struct {
  uint16_t IDR0 : 1;
  uint16_t IDR1 : 1;
  uint16_t IDR2 : 1;
  uint16_t IDR3 : 1;        
  uint16_t IDR4 : 1;
  uint16_t IDR5 : 1;
  uint16_t IDR6 : 1;
  uint16_t IDR7 : 1;        
  uint16_t IDR8 : 1;
  uint16_t IDR9 : 1;
  uint16_t IDR10 : 1;
  uint16_t IDR11 : 1;        
  uint16_t IDR12 : 1;
  uint16_t IDR13 : 1;
  uint16_t IDR14 : 1;
  uint16_t IDR15 : 1;        
  uint16_t Reserved : 16;        
} GPIO_IDR __attribute__((bitband));

GPIO_IDR *GPIOA_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOA->IDR);
GPIO_IDR *GPIOB_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOB->IDR);
GPIO_IDR *GPIOC_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOC->IDR);
GPIO_IDR *GPIOD_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOD->IDR);
GPIO_IDR *GPIOE_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOE->IDR);
GPIO_IDR *GPIOF_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOF->IDR);
GPIO_IDR *GPIOJ_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOJ->IDR);
GPIO_IDR *GPIOK_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOK->IDR);

实际操作效果动态，注意看调试状态寄存器变化，控制GPIOA的PIN0到PIN3

案例3：超方便的寄存器修改：

比如定时器TIM1的CR寄存器：

我们的定义如下：

typedef struct {
  uint16_t CEN  : 1;
  uint16_t UDIS : 1;
  uint16_t URS  : 1;
  uint16_t OPM  : 1;
  uint16_t DIR  : 1;        
  uint16_t CMS  : 2;
  uint16_t APRE : 1;
  uint16_t CKD  : 2;        
  uint16_t Reserved : 6;        
} TIM_CR1 __attribute__((bitband));

TIM_CR1 *TIM1_CR1 = (TIM_CR1 *)(&TIM1->CR1);

实际操作动态效果，注意看调试状态寄存器变化，设置TIM1 CR1寄存器的每个bit控制：

由于标准库，HAL库配置这些已经非常方便了，我们再使用这种方式意义不是很大，但对于需要频繁操作的地方，这种方式就非常好使了，言简意赅，移植性强，强力推荐，而且是原子操作方式，不用怕中断打断。

案例4：应用进阶：
最后我们来个进阶，比如我们通过32位带宽的FMC总线扩展出来32个GPIO，如果我们采用如下使用方式就非常不直观

#define HC574_PORT *(uint32_t *)0x64001000

操作bit1 =0清零，就需要如下操作：

HC574_PORT &= ~(1<<1);

操作bit2和bit10置位，就需要如下操作：

HC574_PORT |= ( ( 1<< 2) | (1<<10))

这种操作会导致以后的代码修改非常不便，别人移植使用也非常不方便。如果我们改成如下方式，就方便太多了。

typedef struct                                
{
        uint32_t tGPRS_TERM_ON : 1;   
        uint32_t tGPRS_RESET :1;   
        uint32_t tNRF24L01_CE :1;   
        uint32_t tNRF905_TX_EN :1;  
        uint32_t tNRF905_TRX_CE :1;

        uint32_t tNRF905_PWR_UP :1;   
        uint32_t tESP8266_G0 :1;  
        uint32_t tESP8266_G2 :1;   
               
        uint32_t tLED1 :1;           
        uint32_t tLED2  :1;         
        uint32_t tLED3  :1;         
        uint32_t tLED4 :1;           
        uint32_t tTP_NRST   :1;      
        uint32_t tAD7606_OS0  :1;   
        uint32_t tAD7606_OS1  :1;   
        uint32_t tAD7606_OS2  :1;   
               
        uint32_t tY50_0 :1;         
        uint32_t tY50_1  :1;         
        uint32_t tY50_2  :1;         
        uint32_t tY50_3  :1;         
        uint32_t tY50_4  :1;         
        uint32_t tY50_5  :1;         
        uint32_t tY50_6  :1;         
        uint32_t tY50_7   :1;               

        uint32_t tAD7606_RESET  :1;
        uint32_t tAD7606_RANGE  :1;  
        uint32_t tY33_2 :1;         
        uint32_t tY33_3  :1;         
        uint32_t tY33_4  :1;         
        uint32_t tY33_5  :1;         
        uint32_t tY33_6  :1;         
        uint32_t tY33_7   :1;        
       
}FMCIO_ODR __attribute__((bitband));

FMCIO_ODR *FMC_EXTIO = (FMCIO_ODR *)0x60001000;

比如控制AD7606的OS0引脚高电平就是

FMC_EXTIO->tAD7606_OS0 = 1;

控制OS0引脚是低电平就是：

FMC_EXTIO->tAD7606_OS0 = 0;

简单易用，超方便。

M7内核为什么不支持

M内核权威指南作者Joseph Yiu回复：
1、Cache问题，如果SRAM所在区域开启了读写Cache，使用位带操作的话，会有数据一致性问题。
2、位带需要总线锁机制，在AHB总线协议中这相对容易实现，但在AXI总线协议中这有点混乱，并且在锁定序列期间，它可能导致其他总线主控的延迟更长。

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