Cortex-M3 bit-band （位带）的学习

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CM3的存储器系统支持所谓的“位带”（bit-band）操作。通过它，实现了对单一比特

的原子操作。位带操作仅适用于一些特殊的存储器区域中。

 

位带区与位带别名区的膨胀关系图

 

 

 

 

 

 

在位带区中，每个比特都映射到别名地址区的一个字——这是个只有 LSB才有效的字。

 

支持位带操作的两个内存区的范围是：

0x2000_0000-0x200F_FFFF（SRAM区中的最低 1MB）

0x4000_0000-0x400F_FFFF（片上外设区中的最低1MB）

 

例子：

1.  在地址 0x20000000处写入 0x3355AACC

2.  读取地址 0x22000008。本次读访问将读取 0x20000000，并提取比特 2，值为1。

3.  往地址 0x22000008 处写 0。本次操作将被映射成对地址 0x20000000 的“读－改－写”操作

（原子的），把比特 2清0。

4.  现在再读取 0x20000000，将返回 0x3355AAC8（bit[2]已清零）。

位带别名区的字只有 LSB 有意义。另外，在访问位带别名区时，不管使用哪一种长度的数据传

送指令（字/半字/字节），都把地址对齐到字的边界上，否则会产生不可预料的结果。

 

 

位带操作的优越性

 

1.      位带操作对于硬件 I/O密集型的底层程序最有用处了

 

 

2.位带操作还能用来化简跳转的判断。当跳转依据是某个位时，以前必须这样做：

  读取整个寄存器

  掩蔽不需要的位

  比较并跳转

  现在只需：

从位带别名区读取状态位

      比较并跳转

 

3.位带操作还有一个重要的好处是在多任务中，用于实现共享资源在任务间的“互锁”访问。多任务的共享资源必须满足一次只有一个任务访问它——亦即所谓的“原子操作”。以前的读－改－写需要 3 条指令，导致这中间留有两个能被中断的空当。于是可能会出现如下图所示的紊乱危象：

 

 

同样的紊乱危象可以出现在多任务的执行环境中。其实，图 5.8所演示的情况可以看作是多任

务的一个特例：主程序是一个任务，ISR是另一个任务，这两个任务并发执行。

通过使用 CM3的位带操作，就可以消灭上例中的紊乱危象。CM3把这个“读－改－写”做成一

个硬件级别支持的原子操作，不能被中断，如图 5.9所演示

 

 

5.5.2    其它数据长度上的位带操作

 

 

  位带操作并不只限于以字为单位的传送。亦可以按半字和字节为单位传送。例如，可以使用

LDRB/STRB来以字节为长度单位去访问位带别名区，同理可用于 LDRH/STRH。但是不管用哪一个对

子，都必须保证目标地址对齐到字的边界上。

 

 

5.5.3    在 C语言中使用位带操作

 

 

 为简化位带操作，也可以定义一些宏。比如，我们可以建立一个把“位带地址＋位序号”转换成别名地址的宏，再建立一个把别名地址转换成指针类型的宏：

 

//把“位带地址+位序号”转换成别名地址的宏

#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000) + 0x20000000 + ((addr & 0xFFFFF) << 5) + (bit<<2));

 

//把该地址转换成一个指针

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

 

在此基础上，我们就可以如下改写代码：

MEM_ADDR(DEVICE REG0) = 0xAB; //使用正常地址访问寄存器，即把0xAB作为DEVICE REG0地址上的值

MEM_ADDR(DEVICE_REG0) = MEM_ADDR(DEVICE_REG0) | 0x2; //传统做法

MEM_ADDR(BITBAND(DEVICE_REG0， 1)) = 0x1； //使用位带别名地址

 

请注意：当使用位带功能时，要访问的变量必须用 volatile来定义。因为 C编译器并不知道同一个比特可以有两个地址。所以就要通过 volatile，使得编译器每次都如实地把新数值写入存储器，而不再会出于优化的考虑，在中途使用寄存器来操作数据的复本，直到最后才把复本写回——这会导致按不同的方式访问同一个位会得到不一致的结果（可能被优化到不同的寄存器来保存中间结果——译注）

 

 

参考资料：《《Cortex-M3权威指南》》