学习寄存器——GPIO（二）学习BSRR BRR ODR寄存器的原子性和在HAL库的应用

这篇文章是GPIO寄存器操作的延伸，如果对GPIO寄存器的操作还不是很了解的可以去看这篇文章

学习寄存器——GPIO(根据手册用结构体封装寄存器)_gpio寄存器-CSDN博客

1.问题背景

我们以前在学GPIO的时候，只是简单的把GPIO口置1/0，就可以实现灯的亮灭，而到了一些比较复杂的项目中，有的时候你还没赋值呢，但有新的任务抢占/发生中断，然后刚好这个任务是进行IO口的翻转。

这个时候，翻转就是拿旧的数据来反转，最后导致实现的结果预期完全相反。

这个时候，STM32给予了一些特殊的寄存器供我们使用，我们先来看一些可以操控IO口的寄存器

2.各寄存器定义

首先我们先查看STM32F103的数据手册中对这些寄存器的定义

2.1 ODR寄存器

2.2 BSRR寄存器

2.3 BRR寄存器

2.4 对各寄存器进行分析

接下来，我将会从特点->推断->结论的步骤来对各寄存器进行层层分析。

这几个寄存器有什么特点呢？

我在上面的图片里面圈了一些关键词，在BRR和BSR中，都出现了“不影响”这个词，而ODR寄存器就没有这个词了。

而且我们还能发现，BSRR,BRR的功能都是对ODR寄存器进行设置的，你可以认为是对ODR寄存器的封装。

我们可以从上面的特点得出一些推断：

1.BSRR和BSR实现的功能都差不多，而BSR有的功能BSRR也有，BSR没有的功能BSR也有，因此BSR是BSRR的子集（毕竟BSRR的高16位实现的就是BSR的功能）。事实上在STM32F4系列芯片已经把BSR寄存器去掉了。因此本章也只会着重将BSRR寄存器。

2.ODR寄存器输入1就是高电平，输入0就是低电平，并没有像BSRR寄存器一样有保护机制（不产生影响）

因此我们根据推断得到一些结论：

1.ODR寄存器在更改某一个GPIO口的电平的时候，我们需要对其他位进行保护。

2.BSRR/BRR寄存器只有在高电平的时候允许设置位，低电平的时候不改变/不影响ODR寄存器本身的值。

那这个跟原子性有什么关联呢？这就引出我们的第二个概念：原子性

3.原子性

原子性指的是这个性质是原子的，而这个性质这么实现呢？

答案是原子操作。

原子操作单拎出来可以再出一篇文章了，为了文章不太过臃肿，我们这边就简单的说一下原子操作。

原子操作就是在执行一项任务（关键数据运算/修改寄存器的值）的时候，任何事情/任务都不能打扰它。

如果要详细的了解原子操作，可以看我这篇文章。

根据ARM手册，分析ARM架构中，原子操作的软硬件实现的底层原理-CSDN博客

我们在修改IO口（例如让LED灯亮起来）的时候，我们自然希望等到IO口完全改成功后才被其他任务获取，否则这个数据是不能被获取的。

在这情况下，BSRR/BSR寄存器就可以实现我们的需求

3.1 BSRR/BSR寄存器的原子性

在操作ODR寄存器实现对单个GPIO口的操作之时，我们一般都会使用到下面语句

GPIOA->ODR |= GPIO_Pin_6;

在C语言层面看是一个单独的语句，但实际上它包括了

1. 读取当前ODR寄存器的值；
2. 执行按位或运算；
3. 以及将结果写回ODR寄存器；
4. 这三个步骤。

由于这涉及多个CPU指令，所以并不是原子操作，尤其是在有中断的情况下可能会导致意想不到的行为。

且就算把或运算去掉了，他也不是原子操作。

因为原子操作不是单纯的只是一个指令，而是需要特殊硬件的配合。

而这个被赋予特殊硬件的寄存器，就是BSRR/BSR寄存器。

BSRR寄存器和ODR寄存器实现原子操作的方式代码对比。

① 使用 ODR（需保护）

// 需要关中断保护
__disable_irq(); // 关闭中断 

GPIOA->ODR |= GPIO_Pin_6; // 设置 PA6 为高电平 

__enable_irq(); // 恢复中断

② 使用 BSRR（无需保护）

GPIOA->BSRR = GPIO_Pin_6; // 原子操作，直接设置 PA6 为高电平

那么既然有BSRR寄存器了，我们为什么还会存在ODR寄存器？

在HAL库的源码中就说明了这一点。

4.ODR,BSRR寄存器的意义以及HAL库对各寄存器的使用

HAL库的GPIO位设置的函数是通过BSRR寄存器设置的，这样有效保障了HAL库的代码运行。

而GPIO的位翻转函数是通过ODR寄存器+异或赋值来实现的，下面是代码示例

// 翻转PA6引脚 
GPIOA->ODR ^= GPIO_Pin_6;

因为翻转函数大部分都是使用频率很高的，例如LED灯的高频率闪烁。

这个时候你用原子操作，那你的中断之类的重要任务运行效率就降低了。

且异或+ODR对翻转的功能很友好，因为异或运算规则是：当两个位不同时，结果为1；相同时，结果为0。举个栗子

1^1=0 0^1=1 //结果必翻转

0^0=0 1^0=1 //结果不改变

我们只需要将其他位异或0，就可以不改变其他位的值。

5. 总结