C語言的使用技巧--在IO操作中的移位和快速配置

在WB32F103（ARM cortex m3內核，96Mhz）的gpio初始化中有一段代碼，充分的結合了硬件特征并使用C語言的技巧來快速的配置對應的GPIO的功能，堪稱經典和楷模，代碼異常簡潔，執行速度快，配置任意IO方便快捷。
我們先來看看這一段源代碼：

void GPIO_Init(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, uint32_t PinConfig)
{uint32_t tmp = PinConfig;/* Check the parameters */assert_param(IS_GPIO_ALL_PERIPH(GPIOx));assert_param(IS_GPIO_PIN(GPIO_Pin));GPIOx->CFGMSK = ~GPIO_Pin;GPIOx->MODER = ((tmp >> 28) & 0x3) * 0x55555555U;GPIOx->OTYPER = ((tmp >> 24) & 0x1) * 0xFFFFFFFFU;GPIOx->OSPEEDR = ((tmp >> 20) & 0x3) * 0x55555555U;GPIOx->PUPDR = ((tmp >> 16) & 0x3) * 0x55555555U;tmp = (tmp & 0xF) * 0x11111111U;GPIOx->AFRL = tmp;GPIOx->AFRH = tmp;
}

相應的調用方式如下：

GPIO_Init(GPIOB, GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9, GPIO_MODE_IN | GPIO_PUPD_UP|GPIO_SPEED_LOW);

一條簡單的函數調用代碼，就可以完成對同一組IO的多個相同功能IO的同時配置，代碼不可謂不經典和優雅，高效易讀易懂。
但是很多人在閱讀GPIO_Init函數的源代碼的時候，對里面的一些運算操作確感覺到懵懵懂懂，理解不了，搞不明白。下面我們結合該硬件的特征講解和說明一下（注意：不同的MCU的硬件寄存器會有不同的操作方式，需要緊密結合你使用的MCU的硬件寄存器的特征來理解），可以起到舉一反三和觸類旁通的作用：
要完成這個“一步到位”的操作，首先要對相關的宏進行合理的有技巧的定義，看看相關IO操作的宏定義如下：

/** @defgroup GPIO_MODE_define* @{*/
#define GPIO_MODE_IN          0x00000000U     /*!< Input mode */
#define GPIO_MODE_OUT         0x10000000U     /*!< Output mode */
#define GPIO_MODE_AF          0x20000000U     /*!< Alternate function mode */
#define GPIO_MODE_ANA         0x30000000U     /*!< Analog mode */
/*** @}*//** @defgroup GPIO_OTYPE_define* @{*/
#define GPIO_OTYPE_PP         0x00000000U     /*!< Output push-pull */
#define GPIO_OTYPE_OD         0x01000000U     /*!< Output open-drain */
/*** @}*//** @defgroup GPIO_SPEED_define* @{*/
#define GPIO_SPEED_LOW        0x00100000U     /*!< Low speed */
#define GPIO_SPEED_HIGH       0x00000000U     /*!< High speed */
/*** @}*//** @defgroup GPIO_PUPD_define* @{*/
#define GPIO_PUPD_NOPULL      0x00000000U     /*!< No pull resistor */
#define GPIO_PUPD_UP          0x00010000U     /*!< Pull up resistor enabled */
#define GPIO_PUPD_DOWN        0x00020000U     /*!< Pull down resistor enabled */
/*** @}*//** @defgroup GPIO_Pin_sources * @{*/
#define GPIO_PinSource0            ((uint8_t)0x00)
#define GPIO_PinSource1            ((uint8_t)0x01)
#define GPIO_PinSource2            ((uint8_t)0x02)
#define GPIO_PinSource3            ((uint8_t)0x03)
#define GPIO_PinSource4            ((uint8_t)0x04)
#define GPIO_PinSource5            ((uint8_t)0x05)
#define GPIO_PinSource6            ((uint8_t)0x06)
#define GPIO_PinSource7            ((uint8_t)0x07)
#define GPIO_PinSource8            ((uint8_t)0x08)
#define GPIO_PinSource9            ((uint8_t)0x09)
#define GPIO_PinSource10           ((uint8_t)0x0A)
#define GPIO_PinSource11           ((uint8_t)0x0B)
#define GPIO_PinSource12           ((uint8_t)0x0C)
#define GPIO_PinSource13           ((uint8_t)0x0D)
#define GPIO_PinSource14           ((uint8_t)0x0E)
#define GPIO_PinSource15           ((uint8_t)0x0F)
/*** @}*/

宏里面分別定義了GPIO的pin引腳序號（GPIO_PinSource0-15），輸入輸入模式配置（輸入，輸出，特殊功能，模擬），輸出類型（推挽，開漏），IO速度（高速，低速），輸入電阻配置（無上下拉，上拉，下拉）。他們的定義bit位置是經過精心的安排和計算的（比如不同的功能定義占用的bit位置不重疊，方便進行移位運算，和對應的寄存器的操作有一一的對應關系），以便于后續代碼設計和簡化代碼的操作。好了，準備好這些原材料后，我們具體看看代碼的實現過程：

  GPIOx->CFGMSK = ~GPIO_Pin;

這第一行代碼，非常關鍵，要明白它的作用，要對應的查看mcu的規格書，我們發現該mcu有一個操作gpio配置寄存器的特殊功能，其說明如下：
在這里插入圖片描述
以上說明再翻譯一下：這一行代碼的作用，就是允許后續寫其他IO配置寄存器的時候，只對本次要配置的gpio的對應bit進行寫操作，不影響無需配置的其他bit（后面代碼解釋再說明）。
對應的寄存器定義如下：
在這里插入圖片描述好了，接下來看看第二行代碼的作用和操作技巧：

  GPIOx->MODER = ((tmp >> 28) & 0x3) * 0x55555555U;

在這里插入圖片描述

該代碼操作的對象是端口模式寄存器，對應的寄存器功能如上圖(用一個32bit的寄存器來表示16個io的模式配置，每一個io的模式配置位占2bit，并且按照順序排列).

#define GPIO_MODE_IN          0x00000000U     /*!< Input mode */
#define GPIO_MODE_OUT         0x10000000U     /*!< Output mode */
#define GPIO_MODE_AF          0x20000000U     /*!< Alternate function mode */
#define GPIO_MODE_ANA         0x30000000U     /*!< Analog mode */

結合前面模式定義的宏來理解：
(tmp >> 28) & 0x3-— 該代碼的作用就是取到傳入的模式配置數據（模式配置定義在最高4個bit，所以先右移位28bit，然后與3，取出來其值），其結果可能的數據為：0，1，2，3，剛好和寄存器的2個bit的4種組合對應：
00 --對應輸入模式
01–對應輸出模式
10–復用功能模式
11–模擬模式
比較讓人疑惑或者難以理解就是后續這個乘以0x55555555U，要理解這個作用，我們把代碼換一種寫法來看看：

GPIOx->MODER = 0x55555555U  * ((tmp >> 28) & 0x3);

0x55555555U用二進制來看看是什么樣子：0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101
我們結合寄存器的每兩個bit表示一個gpio的模式配置來看看，也就是對應于每一個gpio的配置位初始值為01，如果把這個01和前面的模式值（((tmp >> 28) & 0x3)）進行運算，我們發現得到如下結果：
0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101：和0相乘，結果為0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ，所有GPIO的配置bit為輸入模式(00)
0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101：和1相乘，結果不變，所有GPIO的配置bit為輸出模式(01)
0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101：和2相乘，相當于左移1位，結果為：1010 1010 1010 1010 1010 1010 1010 1010 所有GPIO的配置bit為復用功能模式(10)
0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101：和3相乘，結果為：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 ，所有GPIO的配置bit為模擬模式(11)
這真是一個非常高效和簡潔，優雅的設計技巧（包括硬件和軟件）。
關鍵點來了，這個值的修改是對所有16個gpio進行同時操作的，如果我只是設置某一個gpio，會不會影響到其他gpio的配置呢？答案是肯定不會。
回到前面我們看看有一個關鍵寄存器GPIOx->CFGMSK，英文全稱應該是config mask，中文翻譯為配置輔助寄存器，直譯為配置屏蔽寄存器可能更容易理解一些。
GPIOx->CFGMSK = ~GPIO_Pin;通過前面這一條代碼的操作，屏蔽了不需要操作的gpio配置位（也就是說關閉了對無關gpio的bit寫的作用），比如你本次只是操作gpio0，這條代碼就會把對gpio1-15的操作屏蔽，以后寫其他配置寄存器（比如前面的MODER寄存器），就只有gpio0對應的bit起作用，其他bit不會影響原來的值。
接下來的其他幾條語句的作用類似，參考規格書就可以分析和看明白。
這再一次說明了一個道理，嵌入式開發，軟件和硬件要充分結合，才能設計高效的代碼。
根據硬件特征，設計合理和簡潔的操作代碼，也算是一種算法–一種針對硬件進行操作優化的算法。

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