Cortex-M3 Bit-Banding

1. 概述

CM3的存儲器系統支持所謂的“位帶”（bit-band）操作。
通過它，實現了對單一bit的原子操作。位帶操作僅適用于一些特殊的存儲器區域中。

從匯編角度看：

與傳統方法的比較：

在位帶區中，每個比特都映射到別名地址區的一個字——這是個只有 LSB才有效的字。

支持位帶操作的兩個內存區的范圍是：
0x2000_0000-0x200F_FFFF（SRAM區中的最低 1MB）
0x4000_0000-0x400F_FFFF（片上外設區中的最低1MB）

2. 優點

• 位帶操作對于硬件 I/O密集型的底層程序最有用處了;
• 位帶操作還能用來化簡跳轉的判斷。
  當跳轉依據是某個位時，以前必須這樣做：
  讀取整個寄存器
  掩蔽不需要的位
  比較并跳轉
  現在只需:
  從位帶別名區讀取狀態位
  比較并跳轉
• 位帶操作還有一個重要的好處是在多任務中，用于實現共享資源在任務間的“互鎖”訪問;
  多任務的共享資源必須滿足一次只有一個任務訪問它——亦即所謂的“原子操作”。
  以前的讀－改－寫需要 3 條指令，導致這中間留有兩個能被中斷的空當。
  于是可能會出現如下圖所示的紊亂危象：
  
  同樣的紊亂危象可以出現在多任務的執行環境中.其實，上圖所演示的情況可以看作是多任
  務的一個特例：主程序是一個任務，ISR是另一個任務，這兩個任務并發執行。
  通過使用 CM3的位帶操作，就可以消滅上例中的紊亂危象。CM3把這個“讀－改－寫”做成一
  個硬件級別支持的原子操作，不能被中斷，如下圖：
  

3. 其它數據長度上的位帶操作

位帶操作并不只限于以字為單位的傳送。亦可以按半字和字節為單位傳送。例如，可以使用
LDRB/STRB來以字節為長度單位去訪問位帶別名區，同理可用于 LDRH/STRH。但是不管用哪一個對
子，都必須保證目標地址對齊到字的邊界上。

4. 在 C語言中使用位帶操作

//把“位帶地址+位序號”轉換成別名地址的宏
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000) + 0x20000000 + ((addr & 0xFFFFF) << 5) + (bit<<2));

//把該地址轉換成一個指針
#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *) (adr));

在此基礎上，我們就可以如下改寫代碼：

MEM_ADDR(DEVICE REG0) = 0xAB; //使用正常地址訪問寄存器，即把0xAB作為DEVICE REG0地址上的值
MEM_ADDR(DEVICE_REG0) = MEM_ADDR(DEVICE_REG0) | 0x2; //傳統做法
MEM_ADDR(BITBAND(DEVICE_REG0， 1)) = 0x1； //使用位帶別名地址

請注意：當使用位帶功能時，要訪問的變量必須用 volatile來定義。因為 C編譯器并不知道同一個比特可以有兩個地址。所以就要通過 volatile，使得編譯器每次都如實地把新數值寫入存儲器，而不再會出于優化的考慮，在中途使用寄存器來操作數據的副本，直到最后才把副本寫回——這會導致按不同的方式訪問同一個位會得到不一致的結果（可能被優化到不同的寄存器來保存中間結果——譯注）

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