第七章 GPIO——位带操作

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#高性能以太网单片机 #嵌入式硬件 #W55MH32 #WIZnet #位带操作 #地址映射 #嵌入式学习教程

于 2025-05-13 10:22:10 首次发布

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第七章 GPIO——位带操作

本章参考资料：《W55MH32-中文参考手册》存储器和总线构架章节、GPIO章节

1 位带操作基础

1.1 位带技术概述

位操作是指针对单个二进制比特位的独立读写操作，这一特性在 51 单片机开发中极为常见（51 单片机通过sbit关键字实现位定义）。不同于 51 单片机，W55MH32 采用位带别名区访问机制实现位操作功能。

在 W55MH32 中，位带技术主要应用于两大区域：

SRAM 位带区：SRAM 空间的最低 1MB 区域（地址范围：0X20000000~0X200FFFFF）
外设位带区：片上外设空间的最低 1MB 区域（地址范围：0X40000000~0X40100000）

这两个 1MB 的基础位带区除具备常规存储操作功能外，还映射了专属的位带别名区。位带别名区通过特殊机制将基础位带区的每个比特位扩展为 32 位字（4 字节），通过访问这些扩展后的 32 位字，即可实现对原基础位带区中指定比特位的精准操作。W55MH32 的内存映射与位带区关系可参考下图：

1.2 位带区细分解析

1.2.1 外设位带区

外设位带区地址范围为 0X40000000~0X40100000（1MB），覆盖了 W55MH32 片上外设的全部寄存器（寄存器地址范围：0X40000000~0X40029FFF）。其对应的位带别名区地址范围为 0X42000000~0X43FFFFFF（32MB），该区间恰好落在 W55MH32 保留地址空间（0X40030000~0X4FFFFFFF）内，避免了与其他外设寄存器地址的冲突。

与 51 单片机仅部分寄存器支持位操作（如 SBUF 需字节操作）不同，W55MH32 的所有片上外设寄存器均支持位带操作，这一特性显著提升了底层控制的灵活性。不过需注意：实际项目中通常不会对所有寄存器进行位操作，仅在需要高频操作 IO 口等特定场景下，才会针对性地对 IO 相关寄存器启用位操作。

1.2.2 SRAM位带区

SRAM 位带区地址范围为 0X20000000~0X200FFFFF（1MB），对应的位带别名区地址范围为 0X22000000~0X23FFFFFF（32MB）。由于 SRAM 的位操作需求较少，该区域的实际应用场景相对有限。

1.3 位带地址转换机制

位带区的每个比特位扩展为 32 位字后，仅最低有效位（LSB）有效。尽管看似空间利用率不高，但这种设计与 W55MH32 的 32 位系统总线架构匹配，能确保以 4 字节为单位的访问效率最大化。

1.3.1 地址转换公式

通过指针访问位带别名区地址，即可实现对基础位带区比特位的操作。具体转换公式如下：

外设位带别名区地址：设基础位带区中某比特所在字节地址为A，位序号为n（0≤n≤31，实际范围由寄存器位宽决定），则其在别名区的地址为：

AliasAddr= =0x42000000+ (A-0x40000000)*8*4 +n*4

公式解析：

- 0x42000000：外设位带别名区起始地址
- (A - 0x40000000)：目标比特前的字节数
- ×8×4：单字节 8 位，每位扩展为 4 字节
- n×4：目标比特在字节内的偏移（每位占 4 字节）
SRAM 位带别名区地址：设基础位带区中某比特所在字节地址为A，位序号为n，则其在别名区的地址为：

AliasAddr= =0x22000000+ (A-0x20000000)*8*4 +n*4

公式解析：公式逻辑与外设位带区一致，仅起始地址（0x22000000）和基础位带区起始地址（0x20000000）不同。

1.3.2 统一宏定义

为简化操作，可将两类地址转换合并为统一宏定义：

// 把“位带地址+位序号”转换成别名地址的宏
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x02000000+((addr & 0x00FFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))

addr & 0xF0000000：提取地址高位（0x40000000 或 0x20000000），用于区分外设 / SRAM 区域
+0x02000000：将高位转换为别名区起始地址（0x42000000 或 0x22000000）
(addr & 0x00FFFFFF) << 5：等效于(A - 基础区起始地址)×8×4（屏蔽高位后左移 5 位 =×32=×8×4）
bitnum << 2：等效于n×4（左移 2 位 =×4）

配合以下宏可实现位带操作：

// 把一个地址转换成一个指针
#define MEM_ADDR(addr)  *((volatile unsigned long  *)(addr))

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

2 GPIO位带操作实践

2.1 GPIO 寄存器映射

外设位带区覆盖了所有片上外设寄存器，理论上可通过宏为每个寄存器位定义别名地址。但实际开发中，通常仅针对高频操作的 GPIO 寄存器（如输出数据寄存器 ODR、输入数据寄存器 IDR）启用位操作。

根据手册，GPIO 的 ODR 和 IDR 寄存器相对于 GPIO 基址的偏移分别为 12 和 8（GPIOx_BASE由库函数定义）。具体寄存器地址映射如下：

代码清单:位带操作-1 GPIO ODR 和 IDR 寄存器映射

// GPIO ODR 和 IDR 寄存器地址映射
#define GPIOA_ODR_Addr    (GPIOA_BASE+12) //0x4001080C
#define GPIOB_ODR_Addr    (GPIOB_BASE+12) //0x40010C0C
#define GPIOC_ODR_Addr    (GPIOC_BASE+12) //0x4001100C
#define GPIOD_ODR_Addr    (GPIOD_BASE+12) //0x4001140C
#define GPIOE_ODR_Addr    (GPIOE_BASE+12) //0x4001180C
#define GPIOF_ODR_Addr    (GPIOF_BASE+12) //0x40011A0C
#define GPIOG_ODR_Addr    (GPIOG_BASE+12) //0x40011E0C

#define GPIOA_IDR_Addr    (GPIOA_BASE+8)  //0x40010808
#define GPIOB_IDR_Addr    (GPIOB_BASE+8)  //0x40010C08
#define GPIOC_IDR_Addr    (GPIOC_BASE+8)  //0x40011008
#define GPIOD_IDR_Addr    (GPIOD_BASE+8)  //0x40011408
#define GPIOE_IDR_Addr    (GPIOE_BASE+8)  //0x40011808
#define GPIOF_IDR_Addr    (GPIOF_BASE+8)  //0x40011A08
#define GPIOG_IDR_Addr    (GPIOG_BASE+8)  //0x40011E08

注：不同单片机型号的 GPIO 端口数量可能不同（如 64pin 型号最多仅支持到 C 端口），实际使用时需根据具体型号调整。

2.2 GPIO位操作宏定义

通过位带别名区地址，可直接操作指定 GPIO 端口的单个 IO 口。以下为 GPIO 输入 / 输出位操作的宏定义：

代码清单:位带操作-2 GPIO 输入输出位操作

// 单独操作 GPIO的某一个IO口，n(0,1,2...15),n表示具体是哪一个IO口
#define PAout(n)   BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n)  //输出
#define PAin(n)    BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n)  //输入

#define PBout(n)   BIT_ADDR(GPIOB_ODR_Addr,n)  //输出
#define PBin(n)    BIT_ADDR(GPIOB_IDR_Addr,n)  //输入

#define PCout(n)   BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n)  //输出
#define PCin(n)    BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n)  //输入

#define PDout(n)   BIT_ADDR(GPIOD_ODR_Addr,n)  //输出
#define PDin(n)    BIT_ADDR(GPIOD_IDR_Addr,n)  //输入

#define PEout(n)   BIT_ADDR(GPIOE_ODR_Addr,n)  //输出
#define PEin(n)    BIT_ADDR(GPIOE_IDR_Addr,n)  //输入

#define PFout(n)   BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n)  //输出
#define PFin(n)    BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n)  //输入

#define PGout(n)   BIT_ADDR(GPIOG_ODR_Addr,n)  //输出
#define PGin(n)    BIT_ADDR(GPIOG_IDR_Addr,n)  //输入

2.3 主函数示例

以下为通过位操作控制 GPIO 的主函数示例：

代码清单:位带操作-3 main 函数

int main(void)
{
    // 程序来到main函数之前，启动文件：statup_w55mh32_hd.s已经调用
    // SystemInit()函数把系统时钟初始化成72MHZ
    // SystemInit()在system_w55mh32.c中定义
    // 如果用户想修改系统时钟，可自行编写程序修改

    LED_GPIO_Config();

    while ( 1 ) {

    PDout(14)= 0;
    SOFT_Delay(0x0FFFFF);

    }
}