注意：本文中關於STM32的位帶操作原理只適用於Cortex-M3和Cortex-M4(F)內核處理器，Cortex-M系列的其他內核處理器可能不支持位段操作（如Cortex-M0內核處理器就不支持位段操作），詳情請參考相關內核處理器的指南或技術參考手冊（TRM）。
1、簡介
今天參考了好幾篇博客，總算是對 bit-band操作有些了解了。首先，
- 什么是位帶操作？
位帶操作：可以實現對某一GPIO口寄存器（或SRAM內存中）的某一bit位直接賦值0或1，達到控制GPIO口輸出（或改變SRAM中這一bit位的值）的目的；就如同51單片機控制GPIO口一樣的方便。比如：
51：P1^0=1； //把P1口的第一個引腳設置為高電平
STM32：PAout(0)=1; //把PA口的第一個引腳設置成高電平
位帶操作的對象可以是SRAM、I/O和外設空間。要實現對這些地方的某一位的操作。它是這樣做的：在尋址空間（32位對應的地址空間為 4GB ）的另一地方，取個別名區空間，從這個地址開始處，每一個字（32BIT）對應SRAM或I/O的一位。這樣，1MB SRAM 就可以有 32MB 的對應別名區空間，就是1位膨脹到32位（1 BIT 變為1個字節）。我們對這個別名區空間內的某一字操作（置0或置1），就等於它映射的 SRAM 或 I/O 相應的某地址的某一位的操作。
那么，使用如下術語來表示位帶存儲的相關地址
- 使用位帶操作的好處
簡單來說，可以把代碼縮小， 速度更快，效率更高，更安全。 一般操作要6條指令，而使用位帶別名區只要4條指令。一般操作是 讀－改－寫 的方式， 而位帶別名區是 寫 操作。防止中斷對 讀－改－寫 的方式的影響。
圖1.1
2、進入正題，別名區中的字與 bit-band 區中對應位或目標位是如何關聯在一起的呢
位帶別名區就是把每個比特（BIT）膨脹成一個 32 位的字。 每個比特膨脹成一個32 位的字，就是把 1M 擴展為 32M 。在位帶區中，每個比特都映射到別名地址區的一個字——這是只有 LSB （低位先行或最低有效）有效的字。當一個別最低名地址被訪問時，會先把該地址變換成位帶地址。於是，位於 RAM 地址 0X20000000 的一個字節擴展為8個32 位的字，擴展后每位相對應的的地址是：0X22000000，0X22000004，0X22000008，0X2200000C，0X22000010，0X22000014，0X22000018，0X2200001C。
由圖1.1可知，
- SRAM的位帶區地址范圍：0x20000000-0x200FFFFF（1M 尋址空間的地址范圍）
- SARM的位帶別名區地址范圍：0x22000000-0x23FFFFFF（32M 尋址空間的地址范圍）
- 片上外設的位帶區地址范圍：0x40000000-0x400FFFFFF（1M）
- 片上外設的位帶別名區地址范圍：0x42000000-0x43FFFFFF（32M）
圖 1.2
結合圖5.3B和圖1.2中的16進制序列表，可得別名區中的字與 bit-band 區中對應位或目標位的關聯公式，映射公式如下:
對於 SRAM 位帶區的某個比特，記它所在字節地址為 A,位序號為 n(0<=n<=7)，則該比特在別名區的地址為：
AliasAddr = 0x22000000（位帶別名區的起始地址）+ ((A - 0x20000000（位帶區的起始地址）)*8 + n)*4 = 0x22000000 + (A - 0x20000000)*32 + n*4
對於片上外設位帶區的某個比特，記它所在字節的地址為 A,位序號為 n(0<=n<=7)，則該比特在別名區的地址為：
AliasAddr = 0x42000000 + ((A-0x40000000)*8 + n)*4 = 0x42000000 + (A - 0x40000000)*32 + n*4
上式中，“*4” 表示一個字為 4 個字節，“*8” 表示一個字節中有 8 個比特。
也等效於
- 位帶別名區的字地址 = 0x22000000 + （位帶區目標位所在的字地址偏移 << 5） + （位帶區目標位序號 << 2） ① （注：位帶區目標位序號范圍為 0-7）
- 位帶別名區的字地址 = 0x42000000 + （位帶區目標位所在的字地址偏移 << 5） + （位帶區目標位序號 << 2） ② （注：位帶區目標位序號范圍為 0-7）
為了方便起見，所以將式①和式②合並成一個公式：
- 位帶別名區的字地址 =（位帶區目標位所在的字地址 & 0xF0000000）+ 0x02000000 + [（位帶區目標位所在的字地址 & 0xFFFFF << 5 ] +（位帶區目標位編號 << 2） ③（注：位帶區目標位序號范圍為 0-31）
下面解釋一下該公式的含義：
這部分是膨脹公式，位帶別名區就是把每個比特（BIT）膨脹成一個 32 位的字，乘以8是先把單元內的每一位上升到字節的高度上，這樣，你想設置第二位，就直接在原來的基地址上+2就可以了，確定完是第幾位，再乘4，就是把位再上升到字的高度上，也就是每一位對應一個32位的字，這樣最終的地址轉換就完成.字節和字區別什么意思？我想的是把1m的bitband區域的一個比特位膨脹為32位的stm32中地址。在stm32中無法直接對位直接訪問，只能訪問32位的地址（所謂的寄存器映射的地址），故將要控制的GPIO口的一個bit位，就要這個bit位膨脹為32位的字節0地址。
3、下面舉例 SRAM bit-band 別名區和 SRAM bit-band 區之間的 bit-band 映射的例子:
運用位帶訪問GPIOB_BSRR的bit 5.
GPIOB_BSRR地址為0x4001 0C00 + 0x10，位帶區的外設的基地址為0x4000 0000，所以GPIOB_BSRR與外設的基地址相差（0x4001 0C10 - 0x4000 0000）個字節（byte），每個字節8bit，額外加上5個bit，於是
=（0x4001 0C10-0x4000 0000）*8+5個bit
回到位帶運算中，位帶區一個32bit，即4byte代表一個bit，增加一個bit，位帶別名區的地址增加4個字節（即增加32bit），那么最終位帶別名區的地址是：
0x4200 0000+((0x4001 0C10-0x4000 0000)*8+5)*4 = 0x4221 8014
0x4200 0000+((0x4001 0C10-0x4000 0000)*32 + 5*4 = 0x4221 8014
在程序中可以這樣定義：
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x02000000+((addr & 0xFFFFF) << 5)+(bitnum << 2))
#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *)(addr))
#define BIT_ADDR(addr, bitnum) MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))
同理
- 地址 0x23FFFFE0 的別名字映射為 0x200FFFFF 的bit-band 字節的位 0:
0x23FFFFE0 = 0x22000000+(（0x200FFFFF - 0x20000000）*32)+0*4 - 地址 0x23FFFFFC 的別名字映射為 0x200FFFFF 的bit-band 字節的位 7:
0x23FFFFFC = 0x22000000+(0xFFFFF*32)+7*4 - 地址 0x22000000 的別名字映射為 0x20000000 的bit-band 字節的位 0:
0x22000000 = 0x22000000+(0*32)+0*4 - 地址 0x220001C 的別名字映射為 0x20000000 的bit-band 字節的位 0:
0x2200001C = 0x22000000+(0*32)+7*4
以下是一個根據bit-band區域地址和目標位來計算bit-band alias region映射的對應字節的宏(來源於Atmel ASF的bit-banding Example):
1 #define BITBAND_ALIAS_ADDRESS(addr, bit) \
2 ((volatile uint32_t*)((((uint32_t)(addr) & 0xF0000000) + 0x02000000) \ 3 +((((uint32_t)(addr)&0xFFFFF)*32)\ 4 +( (uint32_t)(bit)*4))))
為簡化位帶操作，也可以定義一些宏。比如，我們可以建立一個把“位帶地址＋位序號”轉換成別名地址的宏，再建立一個把別名地址轉換成指針類型的宏：
//把“位帶地址+位序號”轉換成別名地址的宏
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000) + 0x02000000 + ((addr & 0xFFFFF) << 5) + (bit<<2));
//把該地址轉換成一個指針
#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *) (adr));
在此基礎上，我們就可以如下改寫代碼：
MEM_ADDR(DEVICE REG0) = 0xAB; //使用正常地址訪問寄存器，即把0xAB作為DEVICE REG0地址上的值
MEM_ADDR(DEVICE_REG0) = MEM_ADDR(DEVICE_REG0) | 0x2; //傳統做法
MEM_ADDR(BITBAND(DEVICE_REG0， 1)) = 0x1； //使用位帶別名地址
或者，
//將 “位帶地址 + 位序號” 轉換成位帶別名地址的宏定義，並強制轉換成指針
1 #define Bit_Band(addr,num) *((volatile unsigned long*)((addr&0xF0000000)+0x02000000+((addr&0xFFFFF)<<5)+(num<<2)))
以下是應用在32單片機中的具體的例子：
1 /////////////////////////////////////////////////////////////// 2 //位帶操作,實現51類似的GPIO控制功能 3 //具體實現思想,參考<<CM3權威指南>>第五章(87頁~92頁). 4 //IO口操作宏定義
5 #define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
6 #define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *)(addr))
7 #define BIT_ADDR(addr, bitnum) MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))
8 //IO口地址映射
9 #define GPIOA_ODR_Addr (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C
10 #define GPIOB_ODR_Addr (GPIOB_BASE+12) //0x40010C0C
11 #define GPIOC_ODR_Addr (GPIOC_BASE+12) //0x4001100C
12 #define GPIOD_ODR_Addr (GPIOD_BASE+12) //0x4001140C
13 #define GPIOE_ODR_Addr (GPIOE_BASE+12) //0x4001180C
14 #define GPIOF_ODR_Addr (GPIOF_BASE+12) //0x40011A0C
15 #define GPIOG_ODR_Addr (GPIOG_BASE+12) //0x40011E0C
16
17 #define GPIOA_IDR_Addr (GPIOA_BASE+8) //0x40010808
18 #define GPIOB_IDR_Addr (GPIOB_BASE+8) //0x40010C08
19 #define GPIOC_IDR_Addr (GPIOC_BASE+8) //0x40011008
20 #define GPIOD_IDR_Addr (GPIOD_BASE+8) //0x40011408
21 #define GPIOE_IDR_Addr (GPIOE_BASE+8) //0x40011808
22 #define GPIOF_IDR_Addr (GPIOF_BASE+8) //0x40011A08
23 #define GPIOG_IDR_Addr (GPIOG_BASE+8) //0x40011E08
24
25 //IO口操作,只對單一的IO口! 26 //確保n的值小於16!
27 #define PAout(n) BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n) //輸出
28 #define PAin(n) BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n) //輸入
29
30 #define PBout(n) BIT_ADDR(GPIOB_ODR_Addr,n) //輸出
31 #define PBin(n) BIT_ADDR(GPIOB_IDR_Addr,n) //輸入
32
33 #define PCout(n) BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n) //輸出
34 #define PCin(n) BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n) //輸入
35
36 #define PDout(n) BIT_ADDR(GPIOD_ODR_Addr,n) //輸出
37 #define PDin(n) BIT_ADDR(GPIOD_IDR_Addr,n) //輸入
38
39 #define PEout(n) BIT_ADDR(GPIOE_ODR_Addr,n) //輸出
40 #define PEin(n) BIT_ADDR(GPIOE_IDR_Addr,n) //輸入
41
42 #define PFout(n) BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n) //輸出
43 #define PFin(n) BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n) //輸入
44
45 #define PGout(n) BIT_ADDR(GPIOG_ODR_Addr,n) //輸出
46 #define PGin(n) BIT_ADDR(GPIOG_IDR_Addr,n) //輸入
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聲明：本文是參考多篇博客刪減而來，在此非常感謝原作者！^-^