位操作（寄存器）

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位操作（寄存器）

**新手，根据自己理解和参考其他人的资料写成，希望对大家有所帮助。第一次写文章，不足请多指教，谢谢！

位带操作的原理：

STM32中CPU是32位的。最方便快捷的方法是直接操作32位的地址，对某个地址直接赋值是最快的操作，只需要一个指令。

【附录1】

在32位的系统中
1字（word） = 4字节（byte）
1字节（byte） = 8位（bit）
1B = 8bit
1KB = 1024B = 2^10B
1MB = 1024KB
1GB = 1024MB
1TB = 1024GB

计算机中一个二进制位就是一个bit，8个bit组成一个字节（byte）。一个存储单元可以储存一个字节，也就是8个二进制位。计算机的存储器是以字节B为最小单元来计算的。因此内存往往是1KB、1MB、1GB、1TB这样描述的
存储器有多少个字节就是有多少个存储单元，每个存储单元都是从0开始顺序编号，如一个存储器有1KB大小，那么它就有1024个存储单元，编号为0~1023。
存储地址就是一个编号，代表一个存储单元，也就是一个位（8个字节）
32位的CPU最多支持4G的内存空间，也就是2^32个存储单元，如果用十进制来对所有的存储单元编号需要0~4,294,967,295，所以为了使用方便就用十六进制来对内存单元编号0000 0000~FFFF FFFF（因为2^32 = FFF FFFF，）。为了混淆十进制与十六进制就在十六进制的序列编号前面加上0x，或者在最后加上一个h

以上关系如上图所示。重点注意：不要将内存地址与存储内容搞混！

由此，引出一个重要的CPU原件寄存器，寄存器的作用有三个，我们只需要了解前两个：
1.可将寄存器内的数据执行算术及逻辑运算
2.存于寄存器内的地址可用来指向内存的某个位置,即寻址
操作寄存器，可以找到相应的内存单元，再对内存单元进行操作。在STM32中，有2^{32个存储单元，也就有2}32个内存地址。而每个寄存器占用4个字节（32位）

【附录2】
CPU：32位；即32位计算机的CPU一次最多能处理32位数据。32位处理器每次处理 4个字节（4Byte），最多支持4G的内存空间
位带区（bit_band region）：以位为单位，每1个字节（8位）有个地址
别名区（Alias region）：以字为单位，一个字等于4个字节（32位）

支持位操作位带区和别名区都有两个，分别位于SRAM区（片内内存区域）和Peripheral区（ 片上外设区域 ）
· SRAM区：
位带区中的地址：0x2000 0000~0x2010 0000 (1MB的绑定区)
别名区中的地址：0x2200 0000~0x23FF FFFF (30MB的绑定区)
·片上外设：
位带区中的地址：0x4000 0000-0x4010 0000 (1MB的绑定区)
别名区中的地址：0x4000 0000 ~ 0x400F FFFF (30MB的绑定区)

别名区一个单位（字）对应位带区一个单位（位），所以相当于将位带区膨胀32倍才是别名区的大小，所以上面1MB的绑定区，对应到别名区为32M
（1）位带本质上是一块地址区（例如每一位地址位对应一个寄存器）映射到另一片地址区（实现每一位地址位对应一个寄存器中的一位），该区域就叫做位带别名区，将每一位膨胀成一个32位的字。
（2）位带区的4个字节对应实际寄存器或内存区的一个位，虽然变大到4个字节，但实际上只有最低位有效（代表0或1）
如下图：

如上图：
位带区0x2000 0000的第0位对应到别名区0x22000000~0x2200 0003这4个字节。需要指出的是0x2200 0001、0x2200 0002、0x2200 0003这样的地址是不能直接被访问的，只有0x2200 0000、0x2200 0004、0x2200 0008…这样的起始地址（其实是4的倍数）才能被访问，其实我们所说的别名区的地址映射就是计算这样的起始地址。理解这一点也有助于后面地址计算公式的掌握。
好了，上面是理解的基础，下面才是具体的别名区起始地址的计算。首先我们要有一个概念是，一般计算应用关于寻址的计算都这样的：
要计算的地址=基地址+偏移量

·SRAM区映射的地址：
AliasADDr = 0x22000000 + ((A - 0x20000000) * 8 + n) * 4)
= 0x22000000 + (A - 0x20000000) * 8*4+ n * 4

·片上外设区映射的地址：
AliasADDr = 0x42000000 + ((A - 0x40000000) * 8 + n) * 4)
= 0x42000000 + (A - 0x40000000) * 8*4 + n * 4

A就是要进行映射的寄存器的地址，n 的取值范围是0~7

官方给出的公式：
bit_word_addr = bit_band_base + (byte_offset32) +(bit_number4)
bit_word_addr：映射在位带别名区的新地址（即为所求的地址）
bit_band_base：是别名区的起始地址
byte_offset：该字节相对于位带区起始地址的偏移。
bit_number：是目标位所在的位的位置（0-7）
SRAM区所对应的起始地址为 0x2200 0000
片上外设区所对应的起始地址为 0x4200 0000
这两项都是一种规定，记住就行
在SRAM位带区的偏移量为：(A-0x2000 0000)，A为包含目标位字节的地址
在片上外设区所对应的偏移量为：(A-0x4000 0000)，A为包含目标位字节的地址
byte_offset32：是因为位带区的一个位要扩张到别名区的32个位，同样，一个位带区的地址也会扩张到别名区的32个地址。byte_offset32表示前面已经占用的地址。
bit_number4是因为 1bit位要占用四个地址单元（四个字节，32 位）
实这个公式还有一个变异形式，也是有助于理解这一公式的:
it_word_addr = bit_band_base + ((byte_offset8) + bit_number)4
由于位带区每一个地址是8个位，所以(byte_offset8)+ bit_number相当计算出了一个以字节为单位的偏移，再乘以4就是以字为单位的偏移了。
很明显，不管是哪个公式，都是基地址+偏移

位带别名区把每个比特（1bit）膨胀成一个 32 位(4个字节)。当你通过位带别名区访问这些字时，就可以达到访问原始比特的目的。1MB位带区对应32MB位带别名区(1byte=8bit映射成8*4byte=32byte)。

位带区和位带别名区的映射如下图：

位带区：支持位带操作的地址区
位带别名：对别名地址的访问最终作用到位带区的访问上（这中途有一个地址映射过程）
映射过程举例如下：
要设置0x2000 0000这个字节的第二个位bit2为1,使用位带操作的步骤有：1、将1写入位 带别名区对应的映射地址（即0x22000008,因为1bit对应4个byte）；2、将0x2000 0000的值 读取到内部的缓冲区（这一步骤是内核完成的，属于原子操作，不需要用户操作）；3、将bit2 置1，再把值写 回到0x2000 0000(属于原子操作，不需要用户操作)。

映射过程总结：在位带区中，每个比特都映射到别名地址区的4个字节——且4个字节只有最低位有效。当一个别名地址被访问时，会先把该地址变换成位带地址。对于读操作，读取位带地址中的4个字节（因为数据总线是32位的，寄存器也是32位的，所以是读4个字节），再把需要的位右移到最低有效位，并把最低有效位返回（相当于将位带区的值右移再做与操作）。对于写操作，把需要写的位左移至对应的位序号处（相当于把1(或0)左移n(n为该bit位所在的位置)位再和位带区的值做与操作），然后执行一个原子的“读－改－写”过程。

统一后的公式 ：
( A & 0xF0000000)+0x2000000+(( A &0xFFFFF)<<5)+(n<<2))
( GPIOA_ODR_Addr & 0xF0000000)+0x2000000+(( GPIOA_ODR_Addr &0xFFFFF)<<5)+(n<<2))