【BPI-Pico-RP2040 开发板】RP2040可编程 IO (PIO) 使用初探

led_breathing

led_breathing

BPI-Pico-RP2040 开发板所搭载的RP2040微处理器，相对于其他微处理，最吸引人的一点就是提供了可编程 IO，简称PIO。

PIO的神奇之处在于，给PIO编程后，它可以自己运行来控制IO口，而不会再占用微处理器的资源，使得同时可以完成其他的逻辑，而相互之间可以完全不干扰。

在官方手册中，PIO单独用了一章，说明其重要性：

通过官方资料，可以了解到，RP2040提供了两个PIO控制块，每个PIO块中包含4个状态机，都可以通过程序进行控制：

要使用PIO，可以用官方提供的C-SDK来调用，也可以在MicroPython或者CircuitPython中调用。我在BPI-Pico-RP2040 开发板上使用的是circuitpython，所以下面的实例，都是在CircuitPython进行的。

一、环境配置

开始前，要先设置好CircuitPython开发环境。
我用的开发工具是Thonny，在Thonny中，可以直接给BPI-Pico-RP2040 开发板烧录CircuitPython固件。
按住开发板的BOOT按键，然后重新连接到电脑，就能在Thonny中进行CircuitPython的安装了：

然后在Thonny的插件管理中，安装adafruit-circuitpython-pioasm和adafruit_blinka：

再从Thonny的插件数据目录中，拷贝对应的库到CIRCUITPY U盘中lib目录下即可：

这样就准备好了PIO运行的环境，可以继续后面的操作了。

二、PIO点灯

因为是初探PIO的使用，而玩板子无不从点灯开始，所以这里也从点灯开始。

为了方便后续的操作，我把BPI-Pico-RP2040 开发板安装到一个扩展板上了：

从BPI-Pico-RP2040 开发板官方手册得知，BPI-Pico-RP2040 开发板板载了一个可以用户控制的LED，连接到了引脚GPIO-25，那我们就用一段PIO相关的程序，来点亮它。

import board
import rp2pio
import adafruit_pioasm
import time

# 定义PIO控制代码
led_blink = """
.program led_blink
loop:
    pull
    out pins, 1
    jmp loop
"""

# 编译处理
led_blink_assembled = adafruit_pioasm.assemble(led_blink)
# 设置状态机
sm = rp2pio.StateMachine(
    led_blink_assembled,
    frequency=1000_000,
    first_out_pin=board.GP25,
)

while True:
    # 发送数据到状态机
    sm.write(bytes((1,)))
    time.sleep(1)
    
    # 发送数据到状态机
    sm.write(bytes((0,)))
    time.sleep(1)

在BPI-Pico-RP2040 开发板上运行上述代码后，板载的LED就会闪烁起来了：

在上述代码中，led_blink定义的就是PIO控制代码。如果熟悉汇编的话，会发现，这和汇编非常相近。是的，你可以认为他就是RP2040的PIO专属的汇编指令。

设置好了PIO控制代码，再用adafruit_pioasm.assemble()进行编译处理，最后再使用rp2pio.StateMachine()设定好，对哪个GPIO端口启用PIO控制。

而主循环部分，则交替发送1和0到PIO，从而控制LED的亮灭。

三、PIO指令

上述代码中的PIO控制代码部分，我们详细看一下：

.program led_blink
loop:
    pull
    out pins, 1
    jmp loop

控制代码，我们先声明要定义一段程序led_blink，然后设置了一个循环loop，是个死循环，没有任何延时，一直运行。放心，他只是在PIO控制块内运行，对开发板的微处理器没有任何影响。

然后，使用pull指令，把CircuitPython发送给PIO的数据取得，再使用out指令，发送1字节的数据输出给对应的GPIO口，实际上最终就是高低电平信号了。

因为我们在CircuitPython代码中，交替发送了1和0过来，所以，PIO也交替的让GPIO处于高电平和低电平的状态，最终就是LED闪烁了。

PIO的专用指令，一共有9条：

在这次初探中，使用到了如下的指令：

pull：接受32位数据
out：输出32位数据到GPIO
jmp：跳转
set：直接设置GPIO
mov：设置数据到目标寄存器
关于这些指令的详细说明，可以查看官方手册，或者找找网上的资料。

四、PIO控制亮度

说好了PIO可以自己运行来控制IO口，可上面的点灯还是需要Python程序来发送数据点亮，这不科学。

那下面，就用一段程序，来演示PIO自己的控制。

import board
import rp2pio
import adafruit_pioasm
import time

# 定义PIO控制代码
led_brightness = """
.program led_brightness
    set pins, 0
    set pins, 1
"""

# 编译处理
led_brightness_assembled = adafruit_pioasm.assemble(led_brightness)

while True:
    # 设置状态机
    sm = rp2pio.StateMachine(
        led_brightness_assembled,
        frequency=1000_000,
        first_set_pin=board.GP25
    )
    time.sleep(1)
    
    # 释
    sm.deinit()

运行上述程序后，可能会发现，就是LED点亮了，其他没有啥变化。
这个时侯，你可以考虑一下，使用下面的PIO控制代码，看看有什么变化：

常亮：

.program led_brightness
    set pins, 1

长灭：

.program led_brightness
    set pins, 0

亮度：

.program led_brightness
    set pins, 0 [8]
    set pins, 1

最后一段控制代码内，可以尝试修改8为其他值。
你会发现，能控制LED最亮、熄灭，以及不同的亮度。

在上述的PIO控制指令中，set pins, 0表示设置低电平，set pins, 1设置高电平，如果我们用下面的控制指令：

.program led_brightness
    set pins, 0
    set pins, 0
    set pins, 0
    set pins, 0
    set pins, 0
    set pins, 0
    set pins, 0
    set pins, 0
    set pins, 0
    set pins, 1

就会发现，LED比最亮的时候，按了不少。
因为是汇编指令，所以上面这段控制指令，其结果，就是连续9个执行周期，设置低电平，然后1个执行周期，设置高电平。
如果熟悉PWM的话，你马上知道，这不就是那个味----占空比吗。
是的，使用PIO，可以不用PWM，来控制占空比，从而控制LED的亮度。

上面的代码，相当于是10%的占空比。而一对set pins, 1和一个set pins, 0，则相当于是50%的占空比。可以用多行来设置不同的占空比。
但是写多行，太麻烦了，所以set pins, 0 [8]来帮助了。后面[8]表示执行完set pins, 0后，再经过8个周期，才继续执行后面的指令，也就是相当于9:1，占空比还是10%。

这个部分，最开始的CircuitPython的程序，如果只是控制LED的亮度的话，那么可以不用写入到循环中。
然而，如果我们用两个不同亮度的PIO控制代码，来分别调用的话，就实现了不同亮度之间的变化了。大家可以自己试一试，该怎么实现。

五、呼吸灯

最后，再来一段纯PIO控制实现的呼吸灯，具体代码如下：

import board
import rp2pio
import adafruit_pioasm
import time
import array

# 定义PIO控制代码
led_breathe = """
.program led_breathe
start:
up:
    set x, 31
loop11:
    mov y, x
    set pins, 0 [5]
loop12:
    jmp y-- loop12
    set pins, 1 [5]
    jmp x-- loop11

down:
    set x, 31
loop21:
    mov y, x
    set pins, 1 [5]
loop22:
    jmp y-- loop22
    set pins, 0 [5]
    jmp x-- loop21
end:
    jmp start
"""


# 编译处理
led_breathe_assembled = adafruit_pioasm.assemble(led_breathe)

# 设置状态机
sm = rp2pio.StateMachine(
    led_breathe_assembled,
    frequency=2_000,
    first_set_pin=board.GP25,
    wait_for_txstall=False,
)

while True:
    time.sleep(1)