嵌入式学习之GPIO接口详解

　　一、什么是GPIO

　　GPIO----“通用目的输入/输出端口”----是一个灵活的软件控制的数字信号。许多种类的芯片都会提供，嵌入式linux开发者和硬件定制者会对此比较熟悉。每个GPIO提供一位与特定的管脚（或是“球”，BGA（BallGridArray）封装下）相连。单板电路图会显示外部硬件与GPIOs的连接关系。GPIO驱动可写成通用的，便于单板setup代码可以将这些管脚配置数据传递给驱动。

　　SOC处理器非常依赖于GPIO。某些情况下，普通管脚可以被配置为GPIO。大多数芯片至少拥有几组类似的GPIO。可编程逻辑器件（如FPGAs）可以很容易提供GPIO。一些多功能芯片，如电源管理、声音解码等经常具有一些这样的管脚来弥补SOC芯片上面管脚的不足。同样，也存在一些GPIO扩展芯片，连接用于I2C或是SPI串行总线。多数PC南桥拥有几组GPIO兼容的管脚（仅有BIOS固件知道如何使用它们）。

　　不同系统间的GPIO的确切作用不同。通用常有下面几种：

　　----输出值可写（高=1，低=0）。一些芯片也可以选择驱动这些值的方式，以便支持“线-或”或类似方案（开漏信号线）。

　　----输入值可读（1，0）。一些芯片支持输出管脚回读，这在线或的情况下非常有用（以支持双向信号线）。GPIO控制器可能具有一个输入防故障/防反跳逻辑，有时还会有软件控制。

　　----输入经常被用作中断信号，通常是边沿触发，但也有可能是电平触发。这些中断可以配置为系统唤醒事件，从而将系统从低功耗模式唤醒。

　　----一个GPIO经常被配置为输入/输出双向，根据不同的产品单板需求，但也存在单向的情况。

　　----大多是GPIO可以在获取到spinlock自旋锁时访问，但那些通过串行总线访问的通常不能如此操作（休眠的原因）。一些系统中会同时存在这两种形式的GPIO。

　　----在一个给定单板上，每个GPIO用于一个特定的目的，如监控MMC/SD卡的插入/移除，检查卡写保护状态，驱动LED，配置发送器，串行总线位拆，触发一个硬件看门狗，触发一个开关之类的。

　　二、GPIO的优点（端口扩展器）

　　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IIC从机接口：GPIO内置IIC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条就可以组成IIC总线或3条组成SPI总线。

　　与ARM 的几组GPIO引脚，功能相似，GPxCON 控制引脚功能，GPxDAT用于读写引脚数据。另外，GPxUP用于确定是否使用上拉电阻。 x为A，B，，H/J，

　　GPAUP没有上拉电阻。

　　三、GPIO硬件介绍

　　1. 通过寄存器来操作GPIO引脚

　　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。

　　1.1 GPxCON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。

　　1.2 GPxDAT寄存器

　　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。

　　1.3 GPxUP寄存器

　　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。

　　2、访问硬件

　　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 GPBDAT （*volatile unsigned long *）0x56000014）

　　#define GPB5_out （1《《（582））

　　GPBCON = GPB5_out;

　　GPBDAT &= ~（1《《5）;

　　2.2 以总线方式访问硬件

　　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。

　　1）地址对齐的16位读操作

　　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。

　　2）地址位不对齐的16位读操作

　　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。

　　3）8位读操作

　　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。

　　4）32位读操作

　　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。

　　5）16位写操作

　　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。

　　四、何为上拉电阻、下拉电阻

　　上拉电阻是针对NPN来说的，下拉电阻是针对PNP来说的！不管是上拉电阻还是下拉电阻都是为了使集电极有确定的电位！

　　比如对NPN来说，当不用上拉电阻的时候，若基集为正，则导通，集电极为0。但当基集为0，则截止，此时集电极是悬空的，电位无法确定！一旦加了上拉电阻，当导通的时候，集电极为0，当截止的时候，集电极为正。

　　PNP也一样，导通的时候集电极为正，截止的时候集电极为0。

　　五、GPIO端口配置方法

　　单个引脚的操作无非就三种情况：输出高低电平，检测引脚状态，中断。对引脚的操作一般是通过特定寄存器的配置完成。

　　如图，根据LED 的硬件电路图，实现点亮LED：

　　［cpp］ view plain copy#define GPFCON （*（volatile unsigned long *）0x56000050）

　　#define GPFDAT （*（volatile unsigned long *）0x56000054）

　　#define GPF4_out （1《《（4*2））

　　#define GPF5_out （1《《（5*2））

　　#define GPF6_out （1《《（6*2））

　　#define GPF7_out （1《《（7*2））

　　void wait（volatile unsigned long dly）

　　{

　　for（; dly 》 0; dly--）;

　　}

　　int main（void）

　　{

　　unsigned long i = 0;

　　GPFCON = GPF4_out|GPF5_out|GPF6_out|GPF7_out; // 将LED1-4对应的GPF4/5/6/7三个引脚设为输出

　　while（1）{

　　wait（30000）;

　　GPFDAT = （~（i《《4））; // 根据i的值，点亮LED1~4

　　if（++i == 8）

　　i = 0;

　　}

　　return 0;

　　}