向大家介绍 STM32F1 的位带操作，让 STM32 的位操作和 51 单片机的位操作一样简单。

  

位带操作

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    在学习 51 单片机的时候就使用过位操作，通过关键字 sbit 对单片机 IO 口进行位定义。但是 STM32 没有这样的关键字，而是通过访问位带别名区来实现。即将每个比特位膨胀成一个 32 位字，当访问这些字的时候就达到了访问比特的目的。比方说 BSRR 寄存器有 32 个位，那么可以映射到 32 个地址上，当我们去访问这 32 个地址就达到访问 32 个比特的目的。

    STM32F1 中有两个区域支持位带操作，一个是 SRAM 区的最低 1MB 范围，一个是片内外设区的最低 1MB 范围（APB1、APB2、AHB 外设）。如下图所示：

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    从图中可知，SRAM 的最低 1MB 区域，地址范围是 0X2000 0000-0X200FFFFF。片内外设最低 1MB 区域，地址范围是 0X4000 0000-0X400F FFFF，在这个地址范围内包括了 APB1、APB2、AHB 总线上所有的外设寄存器。

    在 SRAM 区中还有 32MB 空间，其地址范围是 0X2200 0000-0X23FF FFFF，它是 SRAM 的 1MB 位带区膨胀后的位带别名区，前面已经说过位带操作，要实现位操作即将每一位膨胀成一个 32 位的字，因此 SRAM 的 1MB 位带区就膨胀为 32MB的位带别名区，通过访问位带别名区就可以实现访问位带中每一位的目的。

    片内外设区的 32MB 的空间也是一样的原理。 片内外设区的 32MB 地址范围是0X4200 0000-0X43FF FFFF。

    通常我们使用位带操作都是在外设区，在外设区中应用比较多的也就是GPIO 外设，SRAM 区内很少使用位操作。

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位带区与位带别名区地址转换

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    前面已经说过， 位带操作就是将位带区中的每一位膨胀成位带别名区中的一个 32 位的字，通过访问位带别名区中的字就实现了访问位带区中位的目的。因此我们就可以使用指针来访问位带别名区的地址， 从而实现访问位带区内位的目的。那么位带别名区与位带区地址是如何转换的，我们下面就来介绍下。

（1）外设位带别名区地址

    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，n值的范围是 0-7，则该比特在别名区的地址为：

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。

（2）SRAM 位带别名区地址

    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，n 值的范围是 0-7，则该比特在别名区的地址为：

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

    0x22000000 是 SRAM 位带别名区的起始地址， 0x20000000 是 SRAM 位带区的起始地址，（A-0x20000000）表示该比特前面有多少个字节，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。

    上面我们已经把外设位带别名区地址和 SRAM 位带别名区地址使用公式表示出来，为了操作方便，我们将这两个公式进行合并，通过一个宏来定义，并把位带地址和位序号作为这个宏定义的参数。公式如下：

#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr&0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))

    addr & 0xF0000000 是为了区分我们操作的是 SRAM 还是外设，实际上就是获取最高位的值是 4 还是 2。如果操作的是外设，那么 addr & 0xF0000000 结果就是 0x40000000，后面+0x2000000 就等于 0X42000000，0X42000000 是外设别名区的起始地址。如果操作的是 SRAM，那么 addr & 0xF0000000 结果就是0x20000000，后面+0x2000000 就等于 0X22000000，0X22000000 是 SRAM 别名区的起始地址。

    addr & 0x000FFFFF 屏蔽了高三位，相当于减去 0X20000000 或者

0X40000000，屏蔽高三位是因为 SRAM 和外设的位带区最高地址是 0X200F FFFF和 0X400F FFFF，SRAM 或者外设位带区上任意地址减去其对应的起始地址，总是低 5 位有效，所以这里屏蔽高 3 位就相当于减去了 0X20000000 或者0X40000000。<<5 相当于*8*4， <<2 相当于*4，其作用在前面已经分析过。

    最后就可以通过指针形式来操作这些位带别名区地址， 实现位带区对应位的操作。代码如下：

    //把 addr 地址强制转换为 unsigned long 类型的指针

    #define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *)(addr))

    //把位带别名区内地址转换为指针 ，获取地址内的数据

    #define BIT_ADDR(addr, bitnum) MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))

    这里说明下 volatile 关键字，volatile 提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都会直接从变量地址中读取数据。如果没有 volatile 关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。更详细的内容大家可以百度查找。

位带操作的优点

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    在 STM32 应用程序开发中虽然可以使用库函数操作外设， 但如果加上位操作就如虎添翼。想想 51 单片机内位操作的方便，就可以理解为什么要对 STM32 使用位操作。STM32 位操作优点非常多，我们这里就列举几个突出的：

（1）对于控制 GPIO 的输入和输出非常简单。

（2）操作串行接口芯片非常方便（DS1302、74HC595 等），如果采用库函数的话，那么这个时序编写就非常不方便。

（3）代码简洁，阅读方便。

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GPIO位带操作

   
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    我们已经知道 STM32F1 支持的位带操作区有两个， 其中应用最多的还是外设位带区，在外设位带区中包含了 APB1、APB2 还有 AHB 总线上的所有外设寄存器，使用位带操作应用最多的外设还属 GPIO，通过位带操作控制 STM32 引脚输入与输出，因此我们就以 GPIO 中 IDR 和 ODR 这两个寄存器的位操作进行讲解。

    根据《STM32F10x 中文参考手册》对应的 GPIO 寄存器章节中可以知道，IDR和 ODR 寄存器相对于 GPIO 基地址的偏移量是 8 和 12。所以可以通过宏定义实现这两个寄存器的地址映射，具体代码如下：

//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

    从上述代码中可以看到有 GPIOx_BASE，这个也是一个宏，里面封装的是相应 GPIO 端口的基地址，在库函数中有定义。

    获取寄存器的地址以后，就可以采用位操作的方法来操作 GPIO 的输入和输出，代码如下：

//IO 口操作,只对单一的 IO 口

//确保 n 的值小于 16

#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

    上述代码中我们已经将 STM32F1 芯片的所有端口都进行了位定义封装， 假如要使用 PC0 管脚进行输出，那么就可以调用 PCout(n)宏，n 值即为 0。假如使用的是 PC0 管脚作为输入，那么就可以调用 PCin(n)宏，n 值即为 0。其他端口调用方法类似。