【STM32】Proteus仿真STM32教程（寄存器）4--寄存器版流水灯程序优化（STM32位带区&位带操作）

💡写在前面

大家好！ 最近很多刚入门的小伙伴私信我：上节课写的寄存器版流水灯，每次改IO电平都要写GPIOB->ODR |= (1<<n)或者GPIOA->ODR &= ~(1<<n)，移位写多了容易搞混位数，还担心写错掩码把其他位改崩了，有没有像51单片机那样sbit LED = P0^0直接操作某一位的方法？

当然有！今天我们就学习STM32专门为简化位操作设计的位带机制，再也不用记复杂的位与、位或逻辑，新手也能写出可读性拉满的寄存器代码~

准备好了吗？坐稳扶好，我们要发车了！🏎️

STM32位带区&位带操作

• 一、先搞懂：什么是位带操作？为什么我们需要它？
• • 1.1 传统寄存器位操作的痛点
  • 1.2 位带操作的通俗解释
• 二、零基础也能算：位带地址的换算公式
• • 2.1 公式推导说明
  • 2.2 举个实际例子算一遍
  • 2.3 公式优化（工程实用版）
• 三、一劳永逸：把位带操作封装成通用宏
• 四、实操：用位带操作改写流水灯程序
• • 4.1 完整代码示例
  • 4.2 代码讲解
• 五、位带操作的优点（为什么推荐初学者学？）
• 六、 免费获取资料：

一、先搞懂：什么是位带操作？为什么我们需要它？

1.1 传统寄存器位操作的痛点

我们先回忆一下上节课操作PB7引脚输出电平的代码：

// 熄灭PB7
GPIOB->ODR &= ~(1 << 7);
// 点亮PB7
GPIOB->ODR |= (1 << 7);

这种写法有3个很不友好的点：

• ❌ 容易写错移位位数：比如把7写成5，操作的引脚直接错了
• ❌ 可读性差：新手看代码要反应半天才能知道是操作第7位
• ❌ 风险高：如果掩码写错（比如漏写~），会把ODR寄存器的其他位覆盖，导致同组其他IO电平异常

那有没有办法直接给某一个IO引脚的电平赋值，完全不影响其他位？就像这样：

PB7 = 1; // 直接点亮PC13
PB7 = 0; // 直接熄灭PC13

STM32的位带操作，就是帮我们实现这个功能的底层机制。

1.2 位带操作的通俗解释

你可以把STM32的寄存器当成一个有32个格子的储物柜，每个格子对应1个bit，传统操作是要改某一个格子的东西，得把整个柜子搬出来，找到对应的格子改了再放回去；而位带操作就是给每个格子单独装了一个门，你直接开对应格子的门就能改内容，完全不用碰其他格子。

• STM32的Cortex-M3内核专门划分了两块「位带区」，位带区的每一个bit，都会映射到「位带别名区」的一个独立的32位地址。我们操作这个位带别名地址的最低位，就等价于直接操作原地址对应的那个bit，硬件保证不会影响其他位。

STM32有两个位带区，我们新手只需要重点关注外设位带区就行：

• 位带区的每1个比特，都会被“膨胀”成1个32位的字（占4字节），这些膨胀出来的地址集合就是「位带别名区」。
• 比如外设位带区的某一位，对应到别名区就是一个4字节的地址，你给这个地址（4字节）写1/0，就等于给 原位(1个比特)置1/0，完全不用关心整个寄存器的其他位。

二、零基础也能算：位带地址的换算公式

我们不用死记硬背公式，只要理解逻辑就能自己推出来：

我们要操作的寄存器地址为ADDR，要操作的是第n位，那么对应的别名地址计算公式为：

• 别名地址 = 位带别名区基地址 + (ADDR – 位带区基地址) * 32 + n * 4

2.1 公式推导说明

给大家拆解一下每个部分的含义，保证看一遍就懂：

2.2 举个实际例子算一遍

比如我们要操作GPIOB的ODR寄存器的第7位：

2.3 公式优化（工程实用版）

我们要操作的寄存器地址为ADDR，要操作的是第n位，那么对应的别名地址计算公式为：

• 别名地址 =((ADDR & 0xF0000000)+0x02000000+((ADDR & 0x000FFFFF)<<5)+(n<<2)

为什么实际工程采用优化版？

• 因为优化后的版本能一个公式通吃外设/SRAM，采用逻辑运算符，运算速度快，边界兼容性好

公式优化说明：

• ADDR & 0xF0000000是取地址的最高4位，区分当前是SRAM还是外设地址：如果是外设地址，结果就是0x40000000；如果是SRAM地址，结果就是0x20000000，刚好是位带区的基地址
• 两个位带区的别名区和原区差值固定是0x02000000，加完直接得到对应的别名区基地址，不用手动判断是外设还是SRAM
• 外设：0x40000000 + 0x02000000 = 0x42000000（外设别名区起始地址） SRAM：0x20000000 + 0x02000000 = 0x22000000（SRAM别名区起始地址）

• 两个位带区都只有1MB大小，区内偏移只需要低20位就能表示，ADDR & 0x000FFFFF直接抹掉高位前缀，得到的结果完全等价于ADDR – 位带区基地址
• 左移5位等价于乘32，和通用公式的运算完全一致，位运算比减法速度更快，也避免了减法可能出现的边界错误

• 每个位对应别名区4个字节的地址，左移2位等价于乘4，完全等价

三、一劳永逸：把位带操作封装成通用宏

不可能每次操作位都自己算地址对吧？我们可以把换算逻辑写成宏，以后直接调用就行，新手直接抄下面的代码，不用改就能用。

// 核心：位带别名地址换算宏
// addr: 要操作的寄存器地址 bitnum:要操作的位号（0~31）
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+\\
0x02000000+((addr & 0x00FFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))

// 把别名地址转成可操作的指针，实现读写
#define BITADDR(addr, bitnum) *(volatile uint32t *)(BITBAND(addr, bitnum))

• 把BITBAND算出的别名地址，强制转换成uint32_t*类型的指针（因为STM32是32位处理器，操作32位地址更高效）
• 用*对指针做读写操作，本质就是给这个别名地址赋值/取值，等效于操作原寄存器的对应位
  • volatile关键字作用是告诉编译器不要优化这个地址的操作，每次读写都要直接访问内存，

四、实操：用位带操作改写流水灯程序

4.1 完整代码示例

typedef unsigned int uint32_t;
typedef unsigned char uint8_t;
// 外设位带区宏定义
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+\\
0x02000000+((addr & 0x000FFFFF)<<5)+(bitnum<<2))

// 把位带别名区地址转换成指针
#define BIT_ADDR(addr, bitnum) *(volatile uint32_t *)\\
(BITBAND(addr, bitnum))

// 时钟寄存器地址定义
#define AHB_RCC_BASE (uint32_t)0x40021000

#define RCC_CR (AHB_RCC_BASE+0x00)
#define RCC_CFGR (AHB_RCC_BASE+0x04)
#define RCC_CIR (AHB_RCC_BASE+0x08)
#define RCC_APB2RSTR (AHB_RCC_BASE+0x0C)
#define RCC_APB1RSTR (AHB_RCC_BASE+0x10)
#define RCC_AHBENR (AHB_RCC_BASE+0x14)
#define RCC_APB2ENR (AHB_RCC_BASE+0x18)
#define RCC_APB1ENR (AHB_RCC_BASE+0x1C)
#define RCC_BDCR (AHB_RCC_BASE+0x20)
#define RCC_CSR (AHB_RCC_BASE+0x24)

// GPIOB寄存器地址定义
#define GPIOB_BASE (uint32_t)0x40010c00

#define GPIOB_CRL (GPIOB_BASE+0x00)
#define GPIOB_CRH (GPIOB_BASE+0x04)
#define GPIOB_IDR (GPIOB_BASE+0x08)
#define GPIOB_ODR (GPIOB_BASE+0x0C)
#define GPIOB_BSRR (GPIOB_BASE+0x10)
#define GPIOB_BRR (GPIOB_BASE+0x14)
#define GPIOB_LCKR (GPIOB_BASE+0x18)

// 定义PB的位带操作宏
#define PB_OUT(n) BIT_ADDR(GPIOB_ODR,n)

// 延时函数（空循环，新手不用深究，改数值可调整流水速度）
void Delay(uint32_t time)
{
uint32_t i,j;
for(i=0; i<time; i++)
for(j=0; j<1000; j++);
}
int main(void)
{
uint8_t i;
//开启GPIOB口时钟
BIT_ADDR(RCC_APB2ENR,3)=1;
//GPIOB_0~7 配置推挽输出 50mhz
for(i=0;i<8;i++)
{
BIT_ADDR(GPIOB_CRL,(0+4*i))=1;
BIT_ADDR(GPIOB_CRL,(1+4*i))=1;
BIT_ADDR(GPIOB_CRL,(2+4*i))=0;
BIT_ADDR(GPIOB_CRL,(3+4*i))=0;
}
//GPIOB_0~7 led off
for(i=0;i<8;i++)
{
PB_OUT(i) = 0;
}

while(1)
{

// 依次点亮PB0-PB7
for(i=0;i<8;i++)
{
PB_OUT(i) = 1;
Delay(200);
PB_OUT(i) = 0;
}
}
}

void SystemInit(void)
{

}

4.2 代码讲解

代码里有几个典型场景用到了位带操作，我们逐一解释：

// 定义PB的位带操作宏
#define PB_OUT(n) BIT_ADDR(GPIOB_ODR,n)

• PB_OUT(n)完美复刻51单片机sbit的操作逻辑，新手直接用PB_OUT(0)=1就能控制PB0输出高电平，不用记任何移位逻辑

BIT_ADDR(RCC_APB2ENR,3)=1;

• 查手册可知RCC_APB2ENR寄存器的位3对应GPIOB的时钟使能位，直接给该位写1即可，不需要写RCC_APB2ENR |= (1<<3)，完全不会误改其他外设的时钟开关

for(i=0;i<8;i++)
{
BIT_ADDR(GPIOB_CRL,(0+4*i))=1;
BIT_ADDR(GPIOB_CRL,(1+4*i))=1;
BIT_ADDR(GPIOB_CRL,(2+4*i))=0;
BIT_ADDR(GPIOB_CRL,(3+4*i))=0;
}

• GPIOB_CRL是GPIOB端口低8位的配置寄存器，每4位控制1个IO口（比如第0-3位控制PB0，第4-7位控制PB1，以此类推） 。要配置PB0-PB7为50MHz推挽输出，对应的位值是0011 。
• 用BIT_ADDR直接操作寄存器的第0+4*i等位，直接赋值1或0，不用先读整个寄存器、修改、再写回，代码更简洁、不容易出错

// 依次点亮PB0-PB7
for(i=0;i<8;i++)
{
PB_OUT(i) = 1;
Delay(200);
PB_OUT(i) = 0;
}

• 流水灯逻辑完全没有复杂的位运算，哪怕是第一次学STM32的新手也能一眼看懂：逐个点亮、延时、逐个熄灭。和51的LED=1写法几乎一样，非常直观 。

五、位带操作的优点（为什么推荐初学者学？）

六、 免费获取资料：

关注下面的 芦苇电子 微信公众号,

在公众号内 私信回复

032

收到后自动发送该仿真资料

如果你能坚持看到这里，说明你已经具备了成为嵌入式大神的潜质！💪 别光看，赶紧打开你的 Keil，新建一个工程，把这段代码跑起来试试吧！

如果觉得这篇文章对你有帮助，欢迎点赞、收藏、转发！——你的认可，是我持续输出嵌入式硬核干货的最大动力！我们下期再见！ 🌟