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（2021-12-10）

eric2013

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：

1. typedef struct {
   
2.   uint8_t bit0 : 1;
   
3.   uint8_t bit1 : 1;
   
4.   uint8_t bit2 : 1;
   
5.   uint8_t bit3 : 1;        
   
6.   uint8_t bit4 : 1;
   
7.   uint8_t bit5 : 1;
   
8.   uint8_t bit6 : 1;
   
9.   uint8_t bit7 : 1;               
   
10. } TEST __attribute__((bitband));
    
11. 
    
12. TEST tTestVar;

复制代码

我们定义了一个8bit的变量tTestVar，控制每个bit的方法如下：

1. tTestVar.bit0 = 1;
   
2. tTestVar.bit1 = 1;        
   
3. tTestVar.bit2 = 1;
   
4. tTestVar.bit3 = 0;        
   
5. tTestVar.bit4 = 0;
   
6. tTestVar.bit5 = 1;        
   
7. tTestVar.bit6 = 1;
   
8. tTestVar.bit7 = 1;        

复制代码

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：

======================
注意：
芯片外设使用硬件位带，如果没有起作用的话，注意使用__attribute__((bitband))的正确姿势即可
https://www.armbbs.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=110029
=====================

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：

1. typedef struct {
   
2.   uint16_t ODR0 : 1;
   
3.   uint16_t ODR1 : 1;
   
4.   uint16_t ODR2 : 1;
   
5.   uint16_t ODR3 : 1;        
   
6.   uint16_t ODR4 : 1;
   
7.   uint16_t ODR5 : 1;
   
8.   uint16_t ODR6 : 1;
   
9.   uint16_t ODR7 : 1;        
   
10.   uint16_t ODR8 : 1;
    
11.   uint16_t ODR9 : 1;
    
12.   uint16_t ODR10 : 1;
    
13.   uint16_t ODR11 : 1;        
    
14.   uint16_t ODR12 : 1;
    
15.   uint16_t ODR13 : 1;
    
16.   uint16_t ODR14 : 1;
    
17.   uint16_t ODR15 : 1;        
    
18.   uint16_t Reserved : 16;        
    
19. } GPIO_ORD  __attribute__((bitband));
    
20. 
    
21. GPIO_ORD *GPIOA_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOA->ODR);
    
22. GPIO_ORD *GPIOB_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOB->ODR);
    
23. GPIO_ORD *GPIOC_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOC->ODR);
    
24. GPIO_ORD *GPIOD_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOD->ODR);
    
25. GPIO_ORD *GPIOE_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOE->ODR);
    
26. GPIO_ORD *GPIOF_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOF->ODR);
    
27. GPIO_ORD *GPIOJ_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOJ->ODR);
    
28. GPIO_ORD *GPIOK_ODR = (GPIO_ORD *)(&GPIOK->ODR);

复制代码

GPIO输入寄存器定义如下：



我们软件定义如下：

1. typedef struct {
   
2.   uint16_t IDR0 : 1;
   
3.   uint16_t IDR1 : 1;
   
4.   uint16_t IDR2 : 1;
   
5.   uint16_t IDR3 : 1;        
   
6.   uint16_t IDR4 : 1;
   
7.   uint16_t IDR5 : 1;
   
8.   uint16_t IDR6 : 1;
   
9.   uint16_t IDR7 : 1;        
   
10.   uint16_t IDR8 : 1;
    
11.   uint16_t IDR9 : 1;
    
12.   uint16_t IDR10 : 1;
    
13.   uint16_t IDR11 : 1;        
    
14.   uint16_t IDR12 : 1;
    
15.   uint16_t IDR13 : 1;
    
16.   uint16_t IDR14 : 1;
    
17.   uint16_t IDR15 : 1;        
    
18.   uint16_t Reserved : 16;        
    
19. } GPIO_IDR __attribute__((bitband));
    
20. 
    
21. GPIO_IDR *GPIOA_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOA->IDR);
    
22. GPIO_IDR *GPIOB_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOB->IDR);
    
23. GPIO_IDR *GPIOC_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOC->IDR);
    
24. GPIO_IDR *GPIOD_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOD->IDR);
    
25. GPIO_IDR *GPIOE_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOE->IDR);
    
26. GPIO_IDR *GPIOF_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOF->IDR);
    
27. GPIO_IDR *GPIOJ_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOJ->IDR);
    
28. GPIO_IDR *GPIOK_IDR = (GPIO_IDR *)(&GPIOK->IDR);

复制代码

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：

1. typedef struct {
   
2.   uint16_t CEN  : 1;
   
3.   uint16_t UDIS : 1;
   
4.   uint16_t URS  : 1;
   
5.   uint16_t OPM  : 1;
   
6.   uint16_t DIR  : 1;        
   
7.   uint16_t CMS  : 2;
   
8.   uint16_t APRE : 1;
   
9.   uint16_t CKD  : 2;        
   
10.   uint16_t Reserved : 6;        
    
11. } TIM_CR1 __attribute__((bitband));
    
12. 
    
13. TIM_CR1 *TIM1_CR1 = (TIM_CR1 *)(&TIM1->CR1);
    
14. 
    

复制代码

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。

1. typedef struct                                
   
2. {
   
3.         uint32_t tGPRS_TERM_ON : 1;   
   
4.         uint32_t tGPRS_RESET :1;   
   
5.         uint32_t tNRF24L01_CE :1;   
   
6.         uint32_t tNRF905_TX_EN :1;  
   
7.         uint32_t tNRF905_TRX_CE :1;
   
8. 
   
9.         uint32_t tNRF905_PWR_UP :1;   
   
10.         uint32_t tESP8266_G0 :1;  
    
11.         uint32_t tESP8266_G2 :1;   
    
12.                
    
13.         uint32_t tLED1 :1;           
    
14.         uint32_t tLED2  :1;         
    
15.         uint32_t tLED3  :1;         
    
16.         uint32_t tLED4 :1;           
    
17.         uint32_t tTP_NRST   :1;      
    
18.         uint32_t tAD7606_OS0  :1;   
    
19.         uint32_t tAD7606_OS1  :1;   
    
20.         uint32_t tAD7606_OS2  :1;   
    
21.                
    
22.         uint32_t tY50_0 :1;         
    
23.         uint32_t tY50_1  :1;         
    
24.         uint32_t tY50_2  :1;         
    
25.         uint32_t tY50_3  :1;         
    
26.         uint32_t tY50_4  :1;         
    
27.         uint32_t tY50_5  :1;         
    
28.         uint32_t tY50_6  :1;         
    
29.         uint32_t tY50_7   :1;               
    
30. 
    
31.         uint32_t tAD7606_RESET  :1;
    
32.         uint32_t tAD7606_RANGE  :1;  
    
33.         uint32_t tY33_2 :1;         
    
34.         uint32_t tY33_3  :1;         
    
35.         uint32_t tY33_4  :1;         
    
36.         uint32_t tY33_5  :1;         
    
37.         uint32_t tY33_6  :1;         
    
38.         uint32_t tY33_7   :1;        
    
39.       
    
40. }FMCIO_ODR __attribute__((bitband));
    
41. 
    
42. FMCIO_ODR *FMC_EXTIO = (FMCIO_ODR *)0x60001000;

复制代码

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。

eric2013

更新完毕。

ou513

学习了，

hqgboy

NICE................

missfox

不错不错，之前我还推荐过这种用法

tcs_stm32

这样操作有硬件操作，不同于位域，快很多。

西点钟灵毓秀

FMCIO_ODR *FMC_EXTIO = (FMCIO_ODR *)0x60001000;   这个地址是随便可以设置的不？

eric2013

西点钟灵毓秀 发表于 2021-11-11 15:14
FMCIO_ODR *FMC_EXTIO = (FMCIO_ODR *)0x60001000;   这个地址是随便可以设置的不？

这个是我们开发板上那个32bit带宽FMC设做的32路GPIO扩展
根据你的地址是什么随意设置。

ou513

学习学习了，好好研究研究

lfgcx

请教一个，F1 能这样用吗？

eric2013

lfgcx 发表于 2021-11-21 23:19
请教一个，F1 能这样用吗？

没问题。

jcx0324

如果定义了一个共用体,占用4个字节空间, 其中一个结构体是位操作, 定义了32位, 这样可以吗? 最近老是被这个共用体搞脑子

eric2013

jcx0324 发表于 2021-11-29 15:11
如果定义了一个共用体,占用4个字节空间, 其中一个结构体是位操作, 定义了32位, 这样可以吗? 最近老是被这个 ...

这个__attribute__((bitband))不能用于union联合体。

eric2013

更新案例2.

caicaptain2

有一点没有明白，案列1，2，3，4中的结构体分别用uint8 、uint16，uint32来定义各自的bit。都是bit，却用不同的宽度的变量类型来定义？

eric2013

caicaptain2 发表于 2022-11-23 10:39
有一点没有明白，案列1，2，3，4中的结构体分别用uint8 、uint16，uint32来定义各自的bit。都是bit，却用不 ...

我这里是跟要访问的寄存器或者变量位宽一致定义的，比如那个定时器的寄存器TIM1的CR， 它是16bit的，我的位带里面的定义也是采用的这个。

西点钟灵毓秀

__attribute__((bitband)); 里面的  bitband 是指什么？在哪个库里面了

2859932063

西点钟灵毓秀 发表于 2023-9-19 17:40
__attribute__((bitband)); 里面的  bitband 是指什么？在哪个库里面了

C语言GNU拓展

zhousun

位带操作是32位对应一位；对于寄存器中多位占位情况，它如何利用位带操作？是分成多步吗，像你举例中TMR控制寄存器中的 uint16_t CMS  : 2;，编译器会自动处理成什么样子

qq1646544

请问一下IAR是怎么实现的呀？

eric2013

qq1646544 发表于 2023-9-23 14:09
请问一下IAR是怎么实现的呀？

IAR没有找到对应的项。

eric2013

zhousun 发表于 2023-9-20 17:39
位带操作是32位对应一位；对于寄存器中多位占位情况，它如何利用位带操作？是分成多步吗，像你举例中TMR控 ...

可以字，半字，字节操作。

zhousun

eric2013 发表于 2023-9-24 11:21
可以字，半字，字节操作。

如果这样，那位带操作就没有优势了，因为位带只是对位操作，两位以上通过字节操作就是传统的读修改写的模式

eric2013

zhousun 发表于 2023-9-25 21:48
如果这样，那位带操作就没有优势了，因为位带只是对位操作，两位以上通过字节操作就是传统的读修改写的模 ...

是的，多bit定义的不行。这种的最好用户手动1个bit，1个bit定义，然后单个bit设置值。

Superusrss

看了下STM32G0也不支持位带

eric2013

Superusrss 发表于 2024-5-3 21:47
看了下STM32G0也不支持位带

这种的只能用软件位带了。

Superusrss

eric2013 发表于 2024-5-4 13:56
这种的只能用软件位带了。

RAM map里面都没提位带，软件算出来的位带会进hardfault

eric2013

Superusrss 发表于 2024-5-4 23:03
RAM map里面都没提位带，软件算出来的位带会进hardfault

软件位带 == C语言的位域操作，没有映射功能了。

C Bit Fields | Microsoft Learn

yelu

eric，arm V6编译器是不是不支持了

eric2013

yelu 发表于 2024-7-18 20:30
eric，arm V6编译器是不是不支持了

这个得搜下，看看是不是AC6要用什么替代。

yelu

eric2013 发表于 2024-7-19 08:55
这个得搜下，看看是不是AC6要用什么替代。

V5的编译器手册可以找到相关信息，V6就找不到了

eric2013

yelu 发表于 2024-7-19 18:00
V5的编译器手册可以找到相关信息，V6就找不到了

那V6可能没有。