STM32第八节：位带操作——GPIO输出和输入

作者：2023面试高手 | 2024-03-21 11:25:26

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前言

我们讲了GPIO的输出，虽然我们使用的是固件库编程，但是最底层的操作是什么呢？对，我们学习过51单片机的同学肯定学习过 sbit 修改某一位的高低电平，从而实现对于硬件的控制。那么我们现在在STM32中有没有相似的操作呢？答案肯定是有的。那么我们今天就来讲讲位带操作。

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STM32第八节：位带操作——GPIO输出和输入

位带

位带简介


P0=0xFE;    //总线操作
 
sbit LED1 = P0^0;   //位操作
LED1 = 0；

如此这般，就是总线操作与位操作的区别（在51单片机中）。那么我们在32中该如何操作呢位操作就是可以单独的对一个bit位进行读和写的过程。51 单片机中通过关键字 sbit 来实现位定义，而 STM32 是通过访问位带别名区来实现。
在 STM32 中，有两个地方实现了位带，一个是 SRAM 区的最低 1MB 空间，另一个是外设区最低 1MB 空间。这两个 1MB 的空间除了可以像正常的 RAM 一样操作外，他们还有自己的位带别
名区，位带别名区把这 1MB 的空间的每一个位膨胀成一个 32 位的字，当访问位带别名区的这些
字时，就可以达到访问位带区某bit位的目的。

如图所示，我们以ODR寄存器为例，而位带操作就是把寄存器中的每一个位都重新找了个地址。这个地址在位带别名区内，而且在位带别名区里会膨胀成4个字节，但是操作的时候只有最低位有效（ODR0）。

位带区分布

在位带操作中，不止止是片上外设会有位带操作，而且SRAM也会有1MB的位带区，位带区里面的每一个位都可以通过位带别名区的地址来访问（一位为四个字节）。

结合上述例子，我们知道GPIO_ODR的基地址，那么我们怎么知道每一位所对应的地址呢？那么我们就有了位带区与位带别名区地址转换。

位带区与位带别名区地址转换

位带区地址与位带别名区的地址之间的转换

接着我就来给大家讲解一下转换的公式的具体含义及代码展示。

前一个呢是位带别名区地址，0x 4200 0000 和 0x 2200 0000.接着呢就是（A-0x 2000 0000），这个算出来的是偏移地址（字节）。一个字节有八个位，而一个位是四个字节。n*4为字节的偏移数，n为位号。从公式来看，我们只需要知道A以及n就可以算出位带地址。再编程上来说，可以统一用一个公式表示：


// AliasAddr= =0x42000000+ (A-0x40000000)*8*4 +n*4
// AliasAddr= =0x22000000+ (A-0x20000000)*8*4 +n*4
 
// 把“位带地址 + 位序号”转换成别名地址的宏
#define BITBAND(addr, bitnum) 
    ((addr & 0xF0000000)+0x02000000+((addr & 0x00FFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))

为了方便操作，我们可以把这两个公式合并成一个公式，把“位带地址 + 位序号”转换成别名区地址统一成一个宏。

addr & 0xF0000000 是为了区别 SRAM 还是外设，实际效果就是取出 4 或者 2，如果是外设，则取出的是 4，+0X02000000 之后就等于 0X42000000，0X42000000 是外设别名区的起始地址。如果是 SRAM，则取出的是 2，+0X02000000 之后就等于 0X22000000，0X22000000 是 SRAM 别名区的起始地址。addr & 0x00FFFFFF 屏蔽了高三位，相当于减去 0X20000000 或者 0X40000000。

外设的最高地址是：0X20100000，跟起始地址 0X20000000 相减的时候，总是低5位才有效，所以就把高三位屏蔽掉来达到减去起始地址的效果，具体屏蔽掉多少位跟最高地址有关。SRAM 同理分析。«5 相当于 *8*4，«2 相当于 *4。

最后我们就可以通过指针的形式操作这些位带别名区地址，最终实现位带区的bit位操作。


// 把一个地址转换成一个指针
#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *)(addr))
 
// 把位带别名区地址转换成指针
#define BIT_ADDR(addr, bitnum) MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))

编写程序——实现GPIO上的位带输出操作

使用位带的方式访问GPIO的ODR寄存器

拷贝一份上节课的代码，并稍作修改，使用条件编译使得上一部分代码编译，下一部分代码不编译。我们看到上一部分代码是使得LED2（即绿色）自动亮灭亮灭，中间稍作迟缓：


#include "stm32f10x.h"   // 相当于51单片机中的  #include <reg51.h>
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_key.h"
 
void Delay(uint32_t count)
{
	for(;count!=0;count--);
}
 
int main(void)
{	
	LED_GPIO_Config();
	LED_KEY_Config();
#if 1
	while(1)
	{
		//GPIO_SetBits(LED_G_GPIO_PORT,LED_G_GPIO_PIN);
		LED2(OFF);
		Delay(0xFFFFF);
		//GPIO_ResetBits(LED_G_GPIO_PORT,LED_G_GPIO_PIN);
		LED2(ON);
		Delay(0xFFFFF);
	}
#else
	while(1)                            
	{	   
		if( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN) == KEY_ON  )
		{
			LED1(ON);
		}
		if( Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN) == KEY_ON  )
		{
			LED2_TOGGLE;
		}	
	}
#endif
}

那么输出怎么写呢？我们现在开始操作ODR寄存器，从公式上看，我们要先写进去通用的公式，然后用n代替参量写一个带参宏出来，然后强制转换为地址，并使用指针操作加上 * 。然后再定义一个GPIOB_ODR_Addr用来表示(GPIOB_BASE+0x0c)基地址加偏移量：


#define GPIOB_ODR_Addr       (GPIOB_BASE+0x0c)
#define PBOut(n)             *(unsigned int*)((GPIOB_ODR_Addr & 0xF0000000)+0x02000000+((GPIOB_ODR_Addr & 0x00FFFFFF)<<5)+(n<<2))

然后我们就可以在main函数中做修改，如此这般，我们就通过位带操作实现了操作寄存器从而实现LED灯的亮灭：


while(1)
	{
		PBOut(0) = 1;
		Delay(0xFFFFF);
		PBOut(0) = 0;
		Delay(0xFFFFF);
	}

完整代码展示


#include "stm32f10x.h"   // 相当于51单片机中的  #include <reg51.h>
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_key.h"
 
#define GPIOB_ODR_Addr       (GPIOB_BASE+0x0c)
#define PBOut(n)             *(unsigned int*)((GPIOB_ODR_Addr & 0xF0000000)+0x02000000+((GPIOB_ODR_Addr & 0x00FFFFFF)<<5)+(n<<2))
 
void Delay(uint32_t count)
{
	for(;count!=0;count--);
}
 
int main(void)
{	
	LED_GPIO_Config();
	LED_KEY_Config();
	
#if 1
	while(1)
	{
		PBOut(0) = 1;
		Delay(0xFFFFF);
		PBOut(0) = 0;
		Delay(0xFFFFF);
	}
#else
	while(1)                            
	{	   
		if(Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN)==KEY_ON)
			LED1(ON);
		if(Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN)==KEY_ON)
			LED2_TOGGLE;
	}
#endif
}

同样的原理打开别的颜色的灯

从原理图可知，我们要打开BLUE灯，就是打开PB1口，即把PBOut（0）改为PBOut（1）即可，其他的以此类推。

编写程序——实现GPIO上的位带输入操作

使用位带的方式访问GPIO的IDR寄存器

输入的话就该操作下面一部分代码了。首先我们要算出IDR的这个第0位地址，为：


#define GPIOA_IDR_Addr       (GPIOA_BASE+0x08)
#define PAin(n)              *(unsigned int*)((GPIOA_IDR_Addr & 0xF0000000)+0x02000000+((GPIOA_IDR_Addr & 0x00FFFFFF)<<5)+(n<<2))
 
#define GPIOC_IDR_Addr       (GPIOA_BASE+0x08)
#define PCin(n)              *(unsigned int*)((GPIOC_IDR_Addr & 0xF0000000)+0x02000000+((GPIOC_IDR_Addr & 0x00FFFFFF)<<5)+(n<<2))

那么我们发现我们写的Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN)和Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN)函数就没有用了，我们在这里修改为：


while(1)                            
	{	   
//		if(Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_GPIO_PIN)==KEY_ON)
//			LED1(ON);
//		if(Key_Scan(KEY2_GPIO_PORT,KEY2_GPIO_PIN)==KEY_ON)
//			LED2_TOGGLE;
		if(PAin(0)==KEY_ON)
		{
			while(PAin(0)==KEY_ON);
			LED1(ON);
		}
		if(PCin(13)==KEY_ON)
		{
			while(PCin(13)==KEY_ON);
			LED2_TOGGLE;
		}
	}

这里我们使用了两种方式来实现按键控制LED灯的亮灭，分别控制PA0和PC13端口。

完整代码展示


#include "stm32f10x.h"   // 相当于51单片机中的  #include <reg51.h>
#include "bsp_led.h"
#include "bsp_key.h"
 
#define GPIOA_IDR_Addr       (GPIOA_BASE+0x08)
#define PAin(n)              *(unsigned int*)((GPIOA_IDR_Addr & 0xF0000000)+0x02000000+((GPIOA_IDR_Addr & 0x00FFFFFF)<<5)+(n<<2))
 
#define GPIOC_IDR_Addr       (GPIOA_BASE+0x08)
#define PCin(n)              *(unsigned int*)((GPIOC_IDR_Addr & 0xF0000000)+0x02000000+((GPIOC_IDR_Addr & 0x00FFFFFF)<<5)+(n<<2))
 
int main(void)
{	
	LED_GPIO_Config();
	LED_KEY_Config();
	while(1)                            
	{	   
		if(PAin(0)==KEY_ON)
		{
			while(PAin(0)==KEY_ON);
			LED1(ON);
		}
		if(PCin(13)==KEY_ON)
		{
			while(PCin(13)==KEY_ON);
			LED2_TOGGLE;
		}
	}
}

小结

到这里我们的课程就结束啦，从下一节开始就是中级篇的讲解了，我们下次见咯！

创作不易，点个三连不迷路！！！

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