从STM32的位带操作重谈嵌入式中寻址与对齐的理解

初接触STM32的人一定花了不少时间用于理解其位带操作（bit banding）的原理与步骤。位带操作允许编程人员以字的单位读/写单一bit位。回想我们平时对于一个bit位的操作比如：↓

@-> PIN0 |= (1<3);

@-> PIN0 &= ~(1<5);

虽然这只是一行代码，但是实际上这一行做了好几步的工作。比如第一行，首先读出当前PIN0的值放到缓存区，将1左移三位放入缓存区，将二者进行“或”操作，即将当前PIN0的第三位置位1，将结果存入到实际PIN0所在的地址，即更新了PIN0的值。当然实际写成汇编后可能步骤不见得一定一样，但是这几步工作是一定得做的。

而对于位带操作，STM32中将上述PIN0（假设它处于允许重新映射的区域，即位带区->Bit Band Region）的每一个bit位重新映射到了一个单独的地址，只需对这一个新的地址进行写操作，则原PIN0值的对应位自动置位或清零。假设刚才我们PIN0的第3bit位重新映射的地址我们用变量PIN0BIT3表示，则刚才的操作可以写作如下↓

@-> PIN0BIT3 = 1; //等同于PIN0 |= （1<3)， 这是由地址重映射保证的。

这一行的操作是，将1写入到PIN0BIT3所在的地址，即更新了PIN0BIT3的值，结束。由于地址重映射，将保证PIN0的第三bit位被置一了。可以看出，操作步骤比之前简单，因此同样的操作处理的速度更快了。

好，以上就是位带操作的原理，全部介绍完了，是不是很简单。接下来我们自然就想问了，这个PIN0第三bit位重新映射的地址在哪？这样地址重映射不是把内存扩大了么，允许重映射的地址会不会有限制？原地址跟重映射的地址之间有没有个换算公式将他们对应上？

我们自然而然会去寻找STM32的官方手册的说明。在STM32F1系列的的编程参考以及官方手册里均有提到位带操作的感念，那份编程参考里更是提到了计算二者联系的公式。

在编程参考P25页可以找到，允许bit位重新映射的位带区只有两处，一处是SRAM区，一处是片内的外设区Peripheral，均有1M大小。熟悉的人一眼就看出来了，SRAM区里存放的是堆栈（heap, stack）、全局变量等，外设区Peripheral区就是我们操作这块CPU经常打交道的GPIO, TIMER， PWM, A/D等各个功能的寄存器的所在地址。重新映射的区域叫位带别名区(Bit band alias)，均有32MB大小。也就是说，我们最终操作的地址都仅仅是1MB，那扩充出来的32MB空间无外乎是为了操作方便快速而设定的，最终还是得影响到那1MB空间才能起作用。编程参考的P30页以SRAM区介绍了这一对应关系↓

以0x20000000（1MB的开头）这SRAM最低地址为例，其第一bit位重新映射到了0x22000000（32MB的开头）地址上，第7bit位映射到了0x2200001C地址上，以此类推，到SRAM最高地址0x200FFFF（1MB的结尾）F的第7bit位映射到了0x23FFFFFC（32MB的结尾）。注意到上面跟下面的区域之间每个方格的地址增长区别，下面（bit-band region）每块方格地址增长1，而上面（alias region）地址增长4，因此有了编程参考的第P30页的关系转换计算公式↓

好了，对于基础扎实熟悉的人来说到这里已经可以了，但是对于我，或者现在隐隐觉得有点疑问的人来说，可能对于这个换算的结果（1MB对应32MB）有点想进一步搞清楚这是为什么。为什么一会是字偏移（word_offset），一会是字节偏移（byte_offset），等等，字，bit，字节，是怎么对应的？等等，不是说寄存器都是３２位的，怎么上面的对应图都是8bit（一字节）一对应的？晕了。所以这里有必要巩固一下这方面的基础知识。

首先回顾最基本概念。

在二进制中，从单纯数学上讲我们知道有

@-> 2^10=1024=1K

@-> 2^20=1024*1024=1M

@-> 2^30=1024*1024*1024=1G

最小二进制单位为比特（bit），即单纯的0,1,0,1,等等。对于音乐、图像等模拟信号我们进行压缩时通常采用的单位为比特率（bps），比如MP3最大比特率320Kbps，即每秒有320K个bit位，也就是每秒采样后的数字0,1的个数有320K个。一般CD的采样率为1411.2Kbps，因此音质就好很多了。普通VCD为1.25Mbps，DVD视频为5Mbps，标准蓝光为40Mbps，所以采用蓝光光盘的PS3游戏机的内部通信带宽比普通PC大很多也就是这个道理，因为每秒需要吞吐很大的数据量才能保证画面的清晰。

一个字节（Byte）等于8个bit，按照惯例我手写的B大写了。字节是通常的计算机存储的基本单位。我们通常所说的500GB硬盘、2GB内存就是指500个G的字节（Byte）和2个G的字节（Byte）。通常我们所说的32位处理器（比如ARM）的内存寻址范围为4GB就很好理解了。从单纯数学上讲↓

@-> 2^32= 4 * 2^30=4*1G=4G

最后，4GB的后面加了个B，即字