Cortex-M3 Bit-Banding

1. 概述

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bit的原子操作。位带操作仅适用于一些特殊的存储器区域中。

从汇编角度看:



与传统方法的比较:



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) **

2. 优点

  • 位带操作对于硬件 I/O密集型的底层程序最有用处了;
  • 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
  • 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,上图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,如下图:

3. 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。

4. 在 C语言中使用位带操作

//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副本,直到最后才把副本写回——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)

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