stm32位带操作中对内存的浅显理解

基础知识

进制

  计算机以二进制代码储存信息，每个二进制数表示一位 (bit)，每8个二进制数表示一个字节 (Byte) ， 而再往上的KB，就是210倍的字节，总结有以下进制关系。

1 Byte = 8 bit

1 KB = 1024Byte（210=1024）

1 MB = 1024KB

1 GB = 1024MB

1 GB = 230Byte

内存地址

  内存地址使用16进制数表示，内存地址只是一个编号表示，一个内存空间，计算机以字节存储数据，所以一个内存地址对应的应该是一个字节(8 bit)的大小，这个之后会详细解释。

这里用32位机的内存做一个图例。32位机的内存地址用8位16进制数表示。

0x00000000----->[8bit];

0x00000001----->[8bit];

0x00000002----->[8bit];

0x00000003----->[8bit];

32位机

  32位表示CPU一次可以处理32位数据or一次可以寻址32位,就是4个字节的数据。也就是CPU一次可以读取的数据可以有 232种不同的数，从0000 0000 到1111 1111，这一共232个不同的数。这 232个数就是232个地址，每个地址对应8个实际的二进制位，也就是一个地址管理一个字节的数据。

  这也就是CPU寻址能力的来由，32位机的最大寻址能力就是 232Byte = 4GB;

  对于32位机，高于4GB的内存将无法一次性寻得，所以32位机理论最大内存是 4GB。

内存的理解

下面的图将说明计算机的内存地址，实际存储样式和人所看到的表现。

现在我们向内存中写入“A” “B”"C"看看实际的存储是怎样的关系。

注：这里的数据是编造的。

第一行的ABC是用户输入的数据，第二行是计算机实际储存的数据

而第三行就是内存地址，可见一个内存地址对应一个字节，而计算机就靠这个地址来找到储存的信息。

对STM32的理解

寄存器地址

首先我们看一下STM32的参考手册

可以看到，这里的内存地址使用8位16进制储存的。一个地址对应一个字节的二进制数。

再以GPIO的寄存器为例

每个寄存器首地址以4个字节递增，每个寄存器占4个字节，对于BSRR寄存器可以画出这样的图

由此我们可以理解：

 每个GPIO端口有16个IO口，

 而每个 GPIO端口 有7个寄存器对这16个 IO 口进行各种设置，如：输入，输出，模式，速度等等，

 每个寄存器占4个字节(Byte),32位(bit)。所以用这个32位就可以对16个 IO 口进行设置。一般这32位有以下集中分配方式:

一·每两位对应一个 IO 口，如 CRL,CRH

二·每一位对应一个IO，但只使用低16位进行设置，高16位保留，如 IDR, ODR, BRR, LCKR

三·每一位对应一个IO，低16位对应一种操作，高十六位对应另一种操作，如 BSRR

位带操作

 位带操作是对STM32寄存器的位进行直接操作，有如51单片机中的“sbit”关键字。且只有GPIO 和 SRAW 中的低 1Mb 空间可以被位带操作。

 其中寄存器的每一位数据在别名膨胀成4个字节，但只有最后一位有效。如此膨胀的原因是stm32为32位机，一次处理32位数据效率最高。

由以上的分析，位带别名区的转化公式也就很好理解了。

计算公式

如GPIO的计算公式：

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

  首先要明白，这个公式是计算字节的也就是内存地址

  A为寄存器地址， 0x40000000 外设基地址是，A-0x40000000 就可以算出寄存器相对外设基地址的偏移了多少个字节（地址），又一个字节有8个位，每个位又膨胀为4个字节，所以先乘8再乘4。

  算完寄存器的偏移就要计算位的偏移了，前面算出的其实是每个寄存器0位的偏移量，而 n 表示位号，每位膨胀为4个字节，所以乘4。

  最后加上GPIO对应别名区的首地址 0x42000000 ,就可以算出寄存器某位对应别名区的地址了。

同理，SRAM的计算公式只是把对应别名区首地址修改

AliasAddr = 0x22000000 + (A-0x40000000)*8*4+n*4

统一公式

( (addr & 0xF0000000) +0x02000000+ ( (addr & 0x00FFFFFF)<<5 ) + bitnum<<2 )

addr 是要操作的为所在寄存器的地址

bitnum 位号，在寄存器的第几位。

公式解释：

addr & 0xF0000000 留下最高位的数字，再加上0x02000000 就可以得到二者分别公式中的第一项。

addr & 0x00FFFFFF 去除最高的两位，算出寄存器地址和基地址的偏移， <<5 左移5位即为乘32。

bitnum<<2 左移2位即为乘4。

开始编程

使用位带操作，完成按下按键LED点亮和熄灭的操作。电路图如下。

  首先，检测按键，要用到GPIO的输入功能，先配置端口输入模式，再读取寄存器 IDR 就可以知道IO端口电平变化。

  点亮led灯必须先配置IO输出模式，再对ODR或BRR，BSRR操作即可置位和清零。

第一，制作一个计算器，可以帮对上面位带操作的公式计算

#define SetBit(addr,n)     *(unsigned int*)

((addr & 0xF0000000) +0x02000000+

( (addr & 0x00FFFFFF)<<5 ) + (n<<2))

  使用一个带参宏就可以完成这个工作。传入 addr 为寄存器的地址， n 为位在寄存器中的位置。

  为了检测代码可行性，先尝试对IDR寄存器的读取，以便判断按键是否按下，和对 ODR 的置位，以便点亮LED灯。而对GPIO输入输出的配置沿用之前固件库编程的代码。

一下为检测按键按下的代码

#define GPIOA_IDR           GPIOA_BASE + 0x08

#define SetBit(addr,n)     *(unsigned int*)((addr & 0xF0000000) +0x02000000+ ( (addr & 0x00FFFFFF)<<5 ) + (n<<2))

int main(void)

{

while(1)

{

if(SetBit(GPIOA_IDR,0) == 1)

{

while(SetBit(GPIOA_IDR,0) == 1);

LED_G_TOGGLE;

}

}

}

  GPIOA_BASE 是固件库中GPIOA 的基地址，0x08 是参考手册中的地址偏移，二者相加就是 GPIOA 的 IDR 寄存器的基地址。

  if语句检测按下，while语句检测松手。要注意的是，要读取的位是 0 位，这点要注意。最后用一个宏定义 LED_G_TOGGLE 完成led灯的反转。

LED_G_TOGGLE的宏定义如下：

#define GPIOB_ODR           GPIOB_BASE + 0x0C

#define SetBit(addr,n)     *(unsigned int*)((addr & 0xF0000000) +0x02000000+ ( (addr & 0x00FFFFFF)<<5 ) + (n<<2))

#define LED_G_TOGGLE  {SetBit(GPIOB_ODR,0) ^= 1;}

使用异或运算完成对这一位的反转。

完整的代码如下：

#define GPIOA_IDR           GPIOA_BASE + 0x08

#define GPIOB_ODR           GPIOB_BASE + 0x0C

#define SetBit(addr,n)     *(unsigned int*)((addr & 0xF0000000) +0x02000000+ ( (addr & 0x00FFFFFF)<<5 ) + (n<<2))

#define LED_G_TOGGLE       {SetBit(GPIOB_ODR,0) ^= 1;}

int main(void)

{

KEY_GPIO_Config();//配置输入端口为浮空，50M，Pin0

LED_GPIO_Config();//配置输出端口为推挽，50M，Pin0

while(1)

{

if(SetBit(GPIOA_IDR,0) == KEY_ON)

{

while(SetBit(GPIOA_IDR,0) ==KEY_ON);

LED_G_TOGGLE;

}

}

}

其中使用固件库配置端口输入输出模式的

KEY_GPIO_Config() 和LED_GPIO_Config() 代码这里不再展示。