GPIO简介

Posted 2020-09-03 专注it

GPIO（General Purpose I/O Ports）意思为通用输入/输出端口，通俗地说，就是一些引脚，可以通过它们输出高低电平或者通过它们读入引脚的状态-是高电平或是低电平。

GPIO口一是个比较重要的概念，用户可以通过GPIO口和硬件进行数据交互(如UART)，控制硬件工作(如LED、蜂鸣器等),读取硬件的工作状态信号（如中断信号）等。GPIO口的使用非常广泛。

 

低功耗：GPIO具有更低的功率损耗(大约1μA，μC的工作电流则为100μA)。

• 集成I2C从机接口：GPIO内置I2C从机接口，即使在待机模式下也能够全速工作。
• 小封装：GPIO器件提供最小的封装尺寸—3mm x 3mm QFN!
• 低成本：您不用为没有使用的功能买单！
• 快速上市：不需要编写额外的代码、文档，不需要任何维护工作！
• 灵活的灯光控制：内置多路高分辨率的PWM输出。
• 可预先确定响应时间：缩短或确定外部事件与中断之间的响应时间。
• 更好的灯光效果：匹配的电流输出确保均匀的显示亮度。
• 布线简单：仅需使用2条I2C总线或3条SPI总线。

1 GPIO硬件介绍

       GPxCON用于选择引脚功能，GPxDAT用于读/写引脚数据；另外，GPxUP用于确定是否使用内部上拉电阻。x为B、...、 H/J，没有GPAUP寄存器。

       从寄存器的名字可以看出，它用于配置（Configure）-选择引脚功能。

       PORTA与PORTB~PORT H/J在功能选择方面有所不同，GPACON中每一位对应一根引脚（共23根引脚）。当某位被设为0时，相应引脚为输出引脚，此时我们可以在GPADAT 中相应位写入0或是1让此引脚为低电平或高电平；当某位被设为1时，相应引脚为地址线或用于地址控制，此时GPADAT无用。一般而言，GPACON通常 被设为全1，以便访问外部存储器件。

       PORT B~ PORT H/J在寄存器操作方面完全相同。GPxCON中每两位控制一根引脚：00表示输入、01表示输出、10表示特殊功能、11保留不用。

 

       GPxDAT用于读/写引脚；当引脚被设为输入时，读此寄存器可知相应引脚的电平状态是高还是低；当引脚被设为输出时，写此寄存器相应位可以令此引脚输出高电平或是低电平。

 

       GPxUP：某位为1时，相应引脚无内部上拉电阻；为0时，相应引脚使用内部上拉电阻。

       上拉电阻的作用在于：当GPIO引脚处于第三态（即不是输出高电平，也不是输出低电平，而是呈高阻态，即相当于没接芯片）时，它的电平状态由上拉电阻、下拉电阻确定。

 

1.2.1 访问单个引脚

       单个引脚的操作无外乎3种：输出高低电平、检测引脚状态、中断。对某个引脚的操作一般通过读、写寄存器来完成。

       访问这些寄存器是通过软件来读写它们的地址。比如：S3C2410和S3C2440的GPBCON、GPBDAT寄存器地址都是0x56000010、0x56000014，可以通过如下的指令让GPB5输出低电平。

#define GPBCON (*volatile unsigned long *)0x56000010)   //long=int 4字节；char 1字节；short 2字节

#define GPB5_out (1<<(582))

GPBCON = GPB5_out;

GPBDAT &= ~(1<<5);

 

       并非只能通过寄存器才能发出硬件信号，实际上通过访问总线的方式控制硬件更为常见。如下图所示S3C2410/S3C2440与NOR Flash的连线图，读写操作都是16位为单位。

       图中缓冲器的作用是以提搞驱动能力、隔离前后级信号。NOR Flash（AM29LV800BB）的片选信号使用nGCS0信号，当CPU发出的地址信号处于0x00000000~0x07FFFFFF之间 时，nGCS0信号有效（为低电平），于是NOR Flash被选中。这时，CPU发出的地址信号传到NOR Flash；进行写操作时，nWE信号为低，数据信号从CPU发给NOR Flash；进行读操作时，nWE信号为高，数据信号从NOR Flash发给CPU。

       ADDR1~ADDR20 ------------------>   >--------------------A0~A19

       DATA0~DATA15 <----------------->   <------------------->D0~D15

               nOE  ------------------>   -------------------->nOE

               nWE  ------------------>   -------------------->nWE

              nGCS0 ------------------>   -------------------->nCE

         S3C2410/S3C2440              缓冲器                   NOR Flash（AM29LV800BB）

 

       软件如何发起写操作呢，下面有几个例子的代码进行讲解。

unsigned short *pwAddr = (unsigned short *)0x2;

unsigned short uwVal;

uwVal = *pwAddr;

       上述代码会向NOR Flash发起读操作：CPU发出的读地址为0x2，则地址总线ADDR1~ADDR20、A0~A19的信号都是1、0...、0（CPU的ADDR0 为0，不过ADDR0没有接到NOR Flash上）。NOR Flash的地址就是0x1，NOR Flash在稍后的时间里将地址上的16位数据取出，并通过数据总线D0~D15发给CPU。

 

unsigned short *pwAddr = (unsigned short *)0x1;

unsigned short uwVal;

uwVal = *pwAddr;

       由于地址是0x1，不是2对齐的，但是BANK0的位宽被设为16，这将导致异常。我们可以设置异常处理函数来处理这种情况。在异常处理函数中，使用 0x0、0x2发起两次读操作，然后将两个结果组合起来：使用地址0x0的两字节数据D0、D1；再使用地址0x02读到D2、D3；最后，D1、D2组 合成一个16位的数字返回给wVal。如果没有地址不对齐的异常处理函数，那么上述代码将会出错。如果某个BANK的位宽被设为n，访问此BANK时，在 总线上永远只会看到地址对齐的n位操作。

 

unsigned char *pwAddr = (unsigned char *)0x6;

unsigned char ucVal;

ucVal = *pwAddr;

       CPU首先使用地址0x6对NOR Flsh发起16位的读操作，得到两个字节的数据，假设为D0、D1；然后将D0取出赋值给变量ucVal。在读操作期间，地址总线 ADDR1~ADDR20、A0~A19的信号都是1、1、0、...、0（CPU的ADDR0为0，不过ADDR0没有接到NOR Flash上）。CPU会自动丢弃D1。

 

unsigned int *pwAddr = (unsigned int *)0x6;

unsigned int udwVal;

udwVal = *pwAddr;

       CPU首先使用地址0x6对NOR Flsh发起16位的读操作，得到两个字节的数据，假设为D0、D1；再使用地址0x8发起读操作，得到两字节的数据，假设为D2、D3；最后将这4个数据组合后赋给变量udwVal。

 

unsigned short *pwAddr = (unsigned short *)0x6;

*pwAddr = 0x1234;

       由于NOR Flash的特性，使得NOR Flash的写操作比较复杂——比如要先发出特定的地址信号通知NOR Flash准备接收数据，然后才发出数据等。不过，其总线上的电信号与软件指令的关系与读操作类似，只是数据的传输方向相反。

2、使用软件来访问硬件

首先我们从点亮LED开始，下图选自mini2440原理图，LED1-4分别对应GPB5-8

如果要控制这些LED，那么我们首先要把GPBCON寄存器中GPB5-8对应的位设为输出功能，然后写GPBDAT寄存器的相应位，使这4个引脚输出高低电平

访问寄存器的时候，通过S3C2440的数据手册查到GPBCON和GPBDAT寄存器的地址，附数据手册  点击下载

 GPBCON为0x56000010，GPBDAT为0x56000014

 

#define GPBCON (*(volatile unsigned long *) 0x56000010)        //volatile修饰符确保每次去内存中读取变量的值，还不是从cache或者寄存器中

#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *) 0x56000014)       

#define GPB5_OUT (1<<(5*2))        //两位控制一个引脚，那么GPB5就是GPBCON的[11:10]位，1左移10位，则[11:10]为01，表示GPB5为输出

GPBCON = GPB5_OUT;

GPBDAT &= ~(1<<5);        //1左移5位取反，那么第5位为0，即GPB5输出低电平，点亮LED1

 

二、GPIO操作实例

1、使用汇编代码点亮一个LED

 

.text

.global _start

_start:     

            LDR     R0,=0x56000010      @ R0设为GPBCON寄存器

            MOV     R1,#0x00000400      @ 设置GPB5为输出口, 位[11:10]=0b01

            STR     R1,[R0]             

            LDR     R0,=0x56000014      @ R0设为GPBDAT寄存器

            MOV     R1,#0x00000000      @ 此值改为0x00000020,可让LED1熄灭

            STR     R1,[R0]                        @ GPB5输出0，LED1点亮

MAIN_LOOP:

            B       MAIN_LOOP                  @无限循环

 再来看程序的Makefile

 

led_on.bin : led_on.S

arm-linux-gcc -g -c -o led_on.o led_on.S

arm-linux-ld -Ttext 0x0000000 -g led_on.o -o led_on_elf

arm-linux-objcopy -O binary -S led_on_elf led_on.bin

clean:

rm -f   led_on.bin led_on_elf *.o

第一行做汇编

第三行把ELF格式转为二进制格式

 

2、使用c语言代码点亮LED

 

@******************************************************************************

@ File：crt0.S

@ 功能：通过它转入C程序

@******************************************************************************       

 

.text

.global _start

_start:

            ldr     r0, =0x53000000     @ WATCHDOG寄存器地址

            mov     r1, #0x0                     

            str   r1, [r0]                          @ 写入0，禁止WATCHDOG，否则CPU会不断重启

        

            ldr     sp, =1024*4             @ 设置堆栈，注意：不能大于4k, 因为现在可用的内存只有4K,这4k是steppingstone，后面会介绍

                                                         @ nand flash中的代码在复位后会移到内部ram中，此ram只有4K

            bl      main                          @ 调用C程序中的main函数

halt_loop:

            b       halt_loop

 

下面是led_on_c.c

 

#define GPBCON      (*(volatile unsigned long *)0x56000010)

#define GPBDAT      (*(volatile unsigned long *)0x56000014)

int main()

{

    GPBCON = 0x00000400;    // 设置GPB5为输出口, 位[11:10]=0b01

    GPBDAT = 0x00000000;    // GPB5输出0，LED1点亮

    return 0;

}

 

 最后是Makefile

 

led_on_c.bin : crt0.S  led_on_c.c

arm-linux-gcc -g -c -o crt0.o crt0.S

arm-linux-gcc -g -c -o led_on_c.o led_on_c.c

arm-linux-ld -Ttext 0x0000000 -g  crt0.o led_on_c.o -o led_on_c_elf

arm-linux-objcopy -O binary -S led_on_c_elf led_on_c.bin

arm-linux-objdump -D -m arm  led_on_c_elf > led_on_c.dis

clean:

rm -f led_on_c.dis led_on_c.bin led_on_c_elf *.o

连接目标到led_on_c_elf，代码段起始地址位0x00000000

最后转换结果为汇编码方便查看

 

3、测试程序

#make

 

然后选择USB PORT-transmit/restore，选择编译好的bin文件

 

 

4、使用按键来控制LED

K1-K6如上图对应GPG，我们使用K1-K4操作LED1-LED4

 

 

 

@ File：crt0.S

@******************************************************************************       

 

.text

.global _start

_start:

            ldr     r0, =0x56000010     @ WATCHDOG寄存器地址

            mov     r1, #0x0                     

            str   r1, [r0]                          @ 写入0，禁止WATCHDOG，否则CPU会不断重启

        

            ldr     sp, =1024*4             @ 设置堆栈，注意：不能大于4k, 因为现在可用的内存只有4K,这4k是steppingstone，后面会介绍

                                                         @ nand flash中的代码在复位后会移到内部ram中，此ram只有4K

            bl      main                          @ 调用C程序中的main函数

halt_loop:

            b       halt_loop

 

 

#define GPBCON      (*(volatile unsigned long *)0x56000010)

#define GPBDAT      (*(volatile unsigned long *)0x56000014)

#define GPGCON      (*(volatile unsigned long *)0x56000060)

#define GPGDAT      (*(volatile unsigned long *)0x56000064)

/*

 * LED1-4对应GPB5、GPB6、GPB7、GPB8

 */

#define GPB5_out        (1<<(5*2))

#define GPB6_out        (1<<(6*2))

#define GPB7_out        (1<<(7*2))

#define GPB8_out        (1<<(8*2))

/*

 * K1-K4对应GPG0、GPG3、GPG5、GPG6

 */

#define GPG7_in    ~(3<<(6*2))

#define GPG6_in     ~(3<<(5*2))

#define GPG3_in     ~(3<<(3*2))

#define GPG0_in     ~(3<<(0*2))

int main()

{

        unsigned long dwDat;

        // LED1-LED4对应的4根引脚设为输出

        GPBCON = GPB5_out | GPB6_out | GPB7_out | GPB8_out ;

        // K1-K4对应的2根引脚设为输入

        GPGCON = GPG0_in & GPG3_in & GPG6_in & GPG7_in ;

        

        while(1){

            //若Kn为0(表示按下)，则令LEDn为0(表示点亮)

            dwDat = GPGDAT;             // 读取GPG管脚电平状态

        

            if (dwDat & (1<<0))        // K1没有按下

                GPBDAT |= (1<<5);       // LED1熄灭

            else    

                GPBDAT &= ~(1<<5);      // LED1点亮

                

            if (dwDat & (1<<3))         // K2没有按下

                GPBDAT |= (1<<6);       // LED2熄灭

            else    

                GPBDAT &= ~(1<<6);      // LED2点亮

            

            if (dwDat & (1<<5))         // K3没有按下

                GPBDAT |= (1<<7);       // LED3熄灭

            else    

                GPBDAT &= ~(1<<7);      // LED3点亮

    

            if (dwDat & (1<<6))         // K4没有按下

                GPBDAT |= (1<<8);       // LED4熄灭

            else    

                GPBDAT &= ~(1<<8);      // LED4点亮

    }

    return 0;

}

 

最后是Makefile

 

key_led.bin : crt0.S  key_led.c

arm-linux-gcc -g -c -o crt0.o crt0.S

arm-linux-gcc -g -c -o key_led.o key_led.c

arm-linux-ld -Ttext 0x0000000 -g  crt0.o key_led.o -o key_led_elf

arm-linux-objcopy -O binary -S key_led_elf key_led.bin

arm-linux-objdump -D -m arm  key_led_elf > key_led.dis

clean:

rm -f   key_led.dis key_led.bin key_led_elf *.o

 

测试效果