位带(bit band)

简介:

在嵌入式系统和微控制器中,位带是一种特殊的内存映射技术. 它允许程序员像访问普通内存一样直接访问和修改特定寄存器的单个位.

使用bit band技术,可以通过内存映射的方式,将特定的位操作转换位对整个字的操作,从而实现对单个位的读写.

作用:

1. 提高位操作的效率:

   在传统的微控制器编程中，修改一个寄存器的单个位通常需要先读取整个寄存器的值，修改其中的特定位，然后再将整个寄存器的值写回。这种方法在处理大量位操作时显得效率低下。位带技术通过直接将每个位映射到独立的内存地址，使得程序员可以直接对这些地址进行读写，从而大大提高了位操作的效率。

2. 简化编程:

   使用位带技术，程序员无需记住复杂的位操作指令或位掩码，而是可以直接通过内存地址来操作特定位，这简化了编程过程，减少了出错的可能性。

3. 降低功耗:

   由于位带操作减少了不必要的整个寄存器的读写，因此也降低了系统的功耗。

4. 直接位访问:

   每个位都可以通过其独特的位带地址进行直接访问,使得对单个位的读写变得像访问普通内存一样简单

5. 位操作原子性:

   在某些微控制器中,位带操作可以保证原子性,这意味着在多任务环境中,对单个位的操作不会被其他任务打断,从而确保了数据的一致性和完整性.

6. 支持多种操作:

   位带不仅支持读和写操作,还支持切换(toggle)等操作,提供了更加灵活的控制方式

工作原理

位带的工作原理依赖于微控制器的内存映射机制. 在支持位带的微控制器中,内存会被划分成普通的内存区域和bit band区域. 对于每个bit band区域的每个位,都会被映射到一个对应的bit band别名地址. 这个映射是透明的,对程序员来说,他们只需要知道每个位对应的位带地址,就可以直接对这些地址进行读写操作.

具体地,位带地址通常是通过一定的算法计算出来的,这个算法将原始的寄存器地址和需要操作的位的索引结合起来,生成一个唯一的位带地址. 当程序员对这个位带地址进行读写的时候,微控制器内部的硬件逻辑会确保只有目标位被修改,而其他位保持不变.

例子

下面以AT32F421为例,对此做出详细介绍

AT32F421提供了两个位带区:SRAM最低1M字节空间和外设区间的最低1M字节空间.

这两个区中的地址,除了可以像普通存储器一样访问外,还可以通过他们各自的位带别名区来快捷访问这两个区中任意地址的任意比特位,位带别名区将位带区每个比特膨胀成一个32位的字. 当你访问位带别名区的一个地址时,等同于直接访问位带区的一个比特位.

如图所示:

那么位带区中某个特定的比特,我需要怎样得到他的别名区的地址呢?

以SRAM区为例:

假设该区某个字节地址为A,它的第n比特的别名区地址为(0 $\le$ n $\le$ 7):

AliaAddress = 0x2200 0000 + 32$\times$ (A - 0x2000 0000) + 4 $\times$ n

外设区的式子基本相同,唯一需要改动的就是位带区的起始地址和位带别名区的起始地址.即

AliaAddress = 0x4200 0000 + 32$\times$ (A - 0x4000 0000) + 4 $\times$ n
.即

AliaAddress = 0x4200 0000 + 32$\times$ (A - 0x4000 0000) + 4 $\times$ n