基于Cortex-M3位帶地址映射技術(shù)的位帶操作研究與實現(xiàn)

李國強(qiáng)

（安徽華東中投科技有限公司，安徽 合肥 230000）

在當(dāng)今的計算機(jī)控制領(lǐng)域中，許多智能控制產(chǎn)品都使用了基于Cortex-M3內(nèi)核的Arm處理器。在這里，主要針對Arm處理器內(nèi)核Cortex-M3存儲器支持的“bit-band”位帶，對位帶地址映射技術(shù)進(jìn)行研究以及如何實現(xiàn)位帶操作。

一、 Cortex-m3的位帶區(qū)與位帶別名區(qū)

Cortex-M3是Arm處理器內(nèi)核，可支持4GB存儲空間，Cortex-M3內(nèi)核是通過ICode、DCode、System總線與STM32內(nèi)部的Flash、SROM相連接的，Cortex-M3存儲器支持“bit-band”位帶。在Cortex-M3存儲器中有二個 1MB的位帶區(qū)，以及對應(yīng)的32MB的“位帶別名（alias）區(qū)” 。位帶別名區(qū)可以把每個位（bit）擴(kuò)展成一個32位的字。當(dāng)通過位帶別名區(qū)訪問這些字時，就可以達(dá)到訪問原來位的目的，如圖1所示。

在SRAM區(qū)的底部，有一個 1MB的位帶區(qū)，這個位帶區(qū)還有一個對應(yīng)的32MB的“位帶別名（alias）區(qū)”，容納了8M個“位變量”，每個位變量是32位（既1個字4個字節(jié)）。位帶區(qū)對應(yīng)的是最低的1MB地址范圍，而位帶別名區(qū)里面的每個字對應(yīng)位帶區(qū)的一個bit位。位帶操作只適用于數(shù)據(jù)訪問，不適用于取指。

圖1 位帶區(qū)與位帶別名區(qū)示意圖

在片上外設(shè)區(qū)的底部，也有一個1MB的位帶區(qū)，并有一個與其對應(yīng)的32MB的位帶別名區(qū)，用于快捷訪問外設(shè)寄存器。這樣，就使得我們訪問各種控制位和狀態(tài)位，就像訪問普通內(nèi)存一樣方便。

二、Cortex-m3的位帶地址映射

存儲器映射是指把芯片中或芯片外的FLASH、RAM以及外設(shè)等進(jìn)行了統(tǒng)一編址，即用地址來表示對象。Cortex-M3存儲器的4G地址空間被劃分為大小相等的8塊區(qū)域，每塊區(qū)域大小為512M。

這里劃分的8塊區(qū)域是粗線條的，主要包括代碼、SRAM、外設(shè)、外部RAM、外部設(shè)備、專用外設(shè)總線-內(nèi)部、專用外設(shè)總線-外部、特定廠商等。只要芯片制造商能按照Cortex-M3存儲器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行各自芯片的存儲器結(jié)構(gòu)設(shè)計，就允許芯片制造商靈活的分配存儲器空間，以制造出各具特色的基于Cortex-M3的芯片。Cortex-M3存儲器映射有2個32MB的位帶別名區(qū)，這2個區(qū)被映射為2個1MB的位帶區(qū)。

（一） SRAM區(qū)的位帶地址映射關(guān)系分析

SRAM區(qū)的位帶地址從地址0x20000000開始的1MB位帶區(qū)，其對應(yīng)的位帶別名區(qū)的地址是從0x22000000開始的32MB。對32MB SRAM位帶別名區(qū)的訪問，映射為對1MB SRAM位帶區(qū)的訪問。

假設(shè)SRAM位帶區(qū)的某個位（bit），此位的所在字節(jié)地址記為A，位序號為n（n的值為0—7），則該位在位帶別名區(qū)的地址為：

上式中的“*4”表示一個字為4個字節(jié)，“*8”表示一個字節(jié)有8個bit（位）。對于SRAM區(qū)中，位帶地址映射關(guān)系，如表1所示。

表1 SRAM區(qū)中的位帶地址映射關(guān)系表

例如：已在地址0x20000000中寫入了0x12345678，現(xiàn)要求對bit2位置1。過程如下：

首先讀取位帶別名地址0x22000008。這次讀訪問將會讀取位帶地址0x20000000，并提取bit2位，其值為0；

然后往地址0x22000008處寫1。這次操作將會被映射成對地址0x20000000的“讀－改－寫”操作，把bit2位置1。

最后我們再讀取地址0x20000000，讀到的數(shù)據(jù)是0x1234567C，bit2位已置1了。

（二） 片上外設(shè)區(qū)的位帶地址映射關(guān)系分析

片上外設(shè)區(qū)的位帶地址從地址0x40000000開始的1MB位帶區(qū)，其對應(yīng)的位帶別名區(qū)的地址是從0x42000000開始的32MB。對32MB外設(shè)位帶別名區(qū)的訪問，映射為對1MB外設(shè)位帶區(qū)的訪問。

同樣假設(shè)片上外設(shè)位帶區(qū)的某個位（bit），此位的所在字節(jié)地址也記為A，位序號為 n（n的值為0—7），則該位在位帶別名區(qū)的地址為：

上式中的“*4”表示一個字為4個字節(jié)，“*8”表示一個字節(jié)有8個bit（位）。對于片上外設(shè)區(qū)中，位帶地址映射關(guān)系，如表2所示。

表2 片上外設(shè)區(qū)中的位帶地址映射關(guān)系表

另外，在訪問位帶別名區(qū)時，不管使用哪一種長度的數(shù)據(jù)傳送指令（字/半字/字節(jié)），都把地址對齊到字的邊界上，否則會產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。

三、位帶操作實現(xiàn)

（一） 位帶地址轉(zhuǎn)換的宏

在C語言中使用位帶操作，最簡單的做法就是使用define宏定義一個位帶別名區(qū)的地址?？梢韵冉⒁粋€把“位帶地址＋位序號”轉(zhuǎn)換成別名地址的宏，然后再建立一個把別名地址轉(zhuǎn)換成指針類型的宏。

1.建立一個把“位帶地址＋位序號”轉(zhuǎn)換成位帶別名地址的宏，宏定義代碼如下：

參考前面介紹的轉(zhuǎn)換公式，完成“位帶地址＋位序號”轉(zhuǎn)換成位帶別名地址的計算，宏定義代碼說明如下：

2.建立一個把別名地址轉(zhuǎn)換成指針類型的宏，宏定義代碼如下：

由于C編譯器并不知道同一個bitn位可以有兩個地址，所以要使用這個volatile關(guān)鍵字。這樣，就能確保本條指令不會因編譯器的優(yōu)化而被省略，每次都能如實的把新數(shù)值寫入存儲器中。

（二）IO口位帶操作的宏定義

采用逐層地址映射方式，對IO口位帶操作進(jìn)行宏定義，可以實現(xiàn)IO口的輸入輸出讀取和控制。

1.對外設(shè)基地址和APB2外設(shè)基地址映射宏定義，宏定義代碼如下：

2.對片上外設(shè)區(qū)的外設(shè)基地址都進(jìn)行了宏定義，如ADCn、DAC、TIMn、USARn以及GPIOx等。在這里主要闡述GPIOx外設(shè)基地址宏定義，宏定義代碼如下：

3.對GPIOx口ODR和IDR寄存器地址映射進(jìn)行了宏定義，宏定義代碼如下：

（4）GPIOA口的輸入輸出宏定義，宏定義代碼如下：

其中n的取值范圍是0～15，GPIOA_ODR_Addr和GPIOA_IDR_Addr是GPIOA口的寄存器ODR和IDR在片上外設(shè)區(qū)的位帶地址。其他的GPIOB—GPIOG口的輸入輸出宏定義以此類推。

四、結(jié)語

在基于Cortex-M3位帶地址映射技術(shù)的位帶操作研究基礎(chǔ)上，對Arm處理器的IO引腳操作就更加方便了。比如，若在PA8引腳輸出一個“1”，代碼如下：

這樣的操作，就像51單片機(jī)操作一樣方便。又如，若讀PD15引腳上所接按鍵的狀態(tài)，代碼如下：

由此可以看出，通過Cortex-M3位帶地址映射技術(shù)的研究，位帶操作非常容易的實現(xiàn)Arm處理器的IO引腳位操作，就不需要使用Cortex-m3的固件庫GPIO_SetBits ()和GPIO_ResetBits ()函數(shù)，或者使用GPIO口相關(guān)寄存器去實現(xiàn)了。