GPIO簡介

GPIO（General Purpose I/O Ports）意思爲通用輸入/輸出端口，通俗地說，就是一些引腳，可以通過它們輸出高低電平或者通過它們讀入引腳的狀態-是高電平或是低電平。

GPIO口一是個比較重要的概念，用戶可以通過GPIO口和硬件進行數據交互(如UART)，控制硬件工作(如LED、蜂鳴器等),讀取硬件的工作狀態信號（如中斷信號）等。GPIO口的使用非常廣泛。

GPIO的優點(端口擴展器)

• 低功耗：GPIO具有更低的功率損耗(大約1µA，µC的工作電流則爲100µA)。
• 集成I²C從機接口：GPIO內置I²C從機接口，即使在待機模式下也能夠全速工作。
• 小封裝：GPIO器件提供最小的封裝尺寸—3mm x 3mm QFN!
• 低成本：您不用爲沒有使用的功能買單！
• 快速上市：不需要編寫額外的代碼、文檔，不需要任何維護工作！
• 靈活的燈光控制：內置多路高分辨率的PWM輸出。
• 可預先確定響應時間：縮短或確定外部事件與中斷之間的響應時間。
• 更好的燈光效果：匹配的電流輸出確保均勻的顯示亮度。
• 佈線簡單：僅需使用2條I²C總線或3條SPI總線。

S3C2410共有117個I/O端口，共分爲A~H共8組：GPA、GPB、...、GPH。S3C2440共有130個I/O端口，分爲A~J共9組：GPA、GPB、...、GPJ。可以通過設置寄存器來確定某個引腳用於輸入、輸出還是其他特殊功能。比如：可以設置GPH6作爲輸入、輸出、或者用於串口。

1 GPIO硬件介紹

1.1 通過寄存器來操作GPIO引腳

       GPxCON用於選擇引腳功能，GPxDAT用於讀/寫引腳數據；另外，GPxUP用於確定是否使用內部上拉電阻。x爲B、...、 H/J，沒有GPAUP寄存器。

1.1.1 GPxCON寄存器

       從寄存器的名字可以看出，它用於配置（Configure）-選擇引腳功能。

       PORTA與PORTB~PORT H/J在功能選擇方面有所不同，GPACON中每一位對應一根引腳（共23根引腳）。當某位被設爲0時，相應引腳爲輸出引腳，此時我們可以在GPADAT 中相應位寫入0或是1讓此引腳爲低電平或高電平；當某位被設爲1時，相應引腳爲地址線或用於地址控制，此時GPADAT無用。一般而言，GPACON通常 被設爲全1，以便訪問外部存儲器件。

       PORT B~ PORT H/J在寄存器操作方面完全相同。GPxCON中每兩位控制一根引腳：00表示輸入、01表示輸出、10表示特殊功能、11保留不用。

 

1.1.2 GPxDAT寄存器

       GPxDAT用於讀/寫引腳；當引腳被設爲輸入時，讀此寄存器可知相應引腳的電平狀態是高還是低；當引腳被設爲輸出時，寫此寄存器相應位可以令此引腳輸出高電平或是低電平。

 

1.1.3 GPxUP寄存器

       GPxUP：某位爲1時，相應引腳無內部上拉電阻；爲0時，相應引腳使用內部上拉電阻。

       上拉電阻的作用在於：當GPIO引腳處於第三態（即不是輸出高電平，也不是輸出低電平，而是呈高阻態，即相當於沒接芯片）時，它的電平狀態由上拉電阻、下拉電阻確定。

 

1.2 訪問硬件

1.2.1 訪問單個引腳

       單個引腳的操作無外乎3種：輸出高低電平、檢測引腳狀態、中斷。對某個引腳的操作一般通過讀、寫寄存器來完成。

       訪問這些寄存器是通過軟件來讀寫它們的地址。比如：S3C2410和S3C2440的GPBCON、GPBDAT寄存器地址都是0x56000010、0x56000014，可以通過如下的指令讓GPB5輸出低電平。

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

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

#define GPB5_out (1<<(582))

GPBCON = GPB5_out;

GPBDAT &= ~(1<<5);

 

1.2.2 以總線方式訪問硬件

       並非只能通過寄存器才能發出硬件信號，實際上通過訪問總線的方式控制硬件更爲常見。如下圖所示S3C2410/S3C2440與NOR Flash的連線圖，讀寫操作都是16位爲單位。

       圖中緩衝器的作用是以提搞驅動能力、隔離前後級信號。NOR Flash（AM29LV800BB）的片選信號使用nGCS0信號，當CPU發出的地址信號處於0x00000000~0x07FFFFFF之間 時，nGCS0信號有效（爲低電平），於是NOR Flash被選中。這時，CPU發出的地址信號傳到NOR Flash；進行寫操作時，nWE信號爲低，數據信號從CPU發給NOR Flash；進行讀操作時，nWE信號爲高，數據信號從NOR Flash發給CPU。

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

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

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

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

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

         S3C2410/S3C2440              緩衝器                   NOR Flash（AM29LV800BB）

 

       軟件如何發起寫操作呢，下面有幾個例子的代碼進行講解。

1）地址對齊的16位讀操作

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

unsigned short uwVal;

uwVal = *pwAddr;

       上述代碼會向NOR Flash發起讀操作：CPU發出的讀地址爲0x2，則地址總線ADDR1~ADDR20、A0~A19的信號都是1、0...、0（CPU的ADDR0 爲0，不過ADDR0沒有接到NOR Flash上）。NOR Flash的地址就是0x1，NOR Flash在稍後的時間裏將地址上的16位數據取出，並通過數據總線D0~D15發給CPU。

 

2）地址位不對齊的16位讀操作

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

unsigned short uwVal;

uwVal = *pwAddr;

       由於地址是0x1，不是2對齊的，但是BANK0的位寬被設爲16，這將導致異常。我們可以設置異常處理函數來處理這種情況。在異常處理函數中，使用 0x0、0x2發起兩次讀操作，然後將兩個結果組合起來：使用地址0x0的兩字節數據D0、D1；再使用地址0x02讀到D2、D3；最後，D1、D2組 合成一個16位的數字返回給wVal。如果沒有地址不對齊的異常處理函數，那麼上述代碼將會出錯。如果某個BANK的位寬被設爲n，訪問此BANK時，在 總線上永遠只會看到地址對齊的n位操作。

 

3）8位讀操作

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

unsigned char ucVal;

ucVal = *pwAddr;

       CPU首先使用地址0x6對NOR Flsh發起16位的讀操作，得到兩個字節的數據，假設爲D0、D1；然後將D0取出賦值給變量ucVal。在讀操作期間，地址總線 ADDR1~ADDR20、A0~A19的信號都是1、1、0、...、0（CPU的ADDR0爲0，不過ADDR0沒有接到NOR Flash上）。CPU會自動丟棄D1。

 

4）32位讀操作

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

unsigned int udwVal;

udwVal = *pwAddr;

       CPU首先使用地址0x6對NOR Flsh發起16位的讀操作，得到兩個字節的數據，假設爲D0、D1；再使用地址0x8發起讀操作，得到兩字節的數據，假設爲D2、D3；最後將這4個數據組合後賦給變量udwVal。

 

5）16位寫操作

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

*pwAddr = 0x1234;

       由於NOR Flash的特性，使得NOR Flash的寫操作比較複雜——比如要先發出特定的地址信號通知NOR Flash準備接收數據，然後才發出數據等。不過，其總線上的電信號與軟件指令的關係與讀操作類似，只是數據的傳輸方向相反。

2、使用軟件來訪問硬件

當個引腳的操作有3種：輸出高低電平、檢測引腳狀態、中斷。對某個引腳的操作一般通過讀寫寄存器實現

首先我們從點亮LED開始，下圖選自mini2440原理圖，LED1-4分別對應GPB5-8

如果要控制這些LED，那麼我們首先要把GPBCON寄存器中GPB5-8對應的位設爲輸出功能，然後寫GPBDAT寄存器的相應位，使這4個引腳輸出高低電平

一般是低電平有效，即高電平時，對應LED熄滅，低電平時，對應LED點亮

訪問寄存器的時候，通過S3C2440的數據手冊查到GPBCON和GPBDAT寄存器的地址，附數據手冊  點擊下載

 GPBCON爲0x56000010，GPBDAT爲0x56000014

通過下面的代碼讓GPB5輸出低電平，點亮LED1

 

#define GPBCON (*(volatile unsigned long *) 0x56000010)        //volatile修飾符確保每次去內存中讀取變量的值，還不是從cache或者寄存器中

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

#define GPB5_OUT (1<<(5*2))        //兩位控制一個引腳，那麼GPB5就是GPBCON的[11:10]位，1左移10位，則[11:10]爲01，表示GPB5爲輸出

GPBCON = GPB5_OUT;

GPBDAT &= ~(1<<5);        //1左移5位取反，那麼第5位爲0，即GPB5輸出低電平，點亮LED1

 

二、GPIO操作實例

1、使用匯編代碼點亮一個LED

先看源程序 led_on.S

 

.text

.global _start

_start:     

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

            MOV     R1,#0x00000400      @ 設置GPB5爲輸出口, 位[11:10]=0b01

            STR     R1,[R0]             

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

            MOV     R1,#0x00000000      @ 此值改爲0x00000020,可讓LED1熄滅

            STR     R1,[R0]                        @ GPB5輸出0，LED1點亮

MAIN_LOOP:

            B       MAIN_LOOP                  @無限循環

 再來看程序的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

led_on.S生成led_on.bin

第一行做彙編

第二行做連接，指定代碼段起始地址爲0x00000000

第三行把ELF格式轉爲二進制格式

clean用於清除編譯生成的文件

 

2、使用c語言代碼點亮LED

彙編可讀性比C差，我們用C來實現

 

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

@ File：crt0.S

@ 功能：通過它轉入C程序

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

 

.text

.global _start

_start:

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

            mov     r1, #0x0                     

            str   r1, [r0]                          @ 寫入0，禁止WATCHDOG，否則CPU會不斷重啓

        

            ldr     sp, =1024*4             @ 設置堆棧，注意：不能大於4k, 因爲現在可用的內存只有4K,這4k是steppingstone，後面會介紹

                                                         @ nand flash中的代碼在復位後會移到內部ram中，此ram只有4K

            bl      main                          @ 調用C程序中的main函數

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;    // 設置GPB5爲輸出口, 位[11:10]=0b01

    GPBDAT = 0x00000000;    // GPB5輸出0，LED1點亮

    return 0;

}

 

 最後是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

分別彙編crt0.S和led_on_c.c

連接目標到led_on_c_elf，代碼段起始地址位0x00000000

轉換ELF格式到二進制led_on_c.bin

最後轉換結果爲彙編碼方便查看

 

3、測試程序

在先前搭建的編譯環境中進入代碼目錄

#make

得到的bin文件，在win中使用dnw下載到開發板，設置串口波特率，對應端口，8N1，下載地址0x00000000

開關撥到nor flash，打開電源，出現菜單以後，選擇a

 

然後選擇USB PORT-transmit/restore，選擇編譯好的bin文件

然後開關撥到nand啓動，效果如下：（設置LED1和LED4亮）

 

 

4、使用按鍵來控制LED

K1-K6如上圖對應GPG，我們使用K1-K4操作LED1-LED4

 

 

 

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

@ File：crt0.S

@ 功能：通過它轉入C程序

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

 

.text

.global _start

_start:

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

            mov     r1, #0x0                     

            str   r1, [r0]                          @ 寫入0，禁止WATCHDOG，否則CPU會不斷重啓

        

            ldr     sp, =1024*4             @ 設置堆棧，注意：不能大於4k, 因爲現在可用的內存只有4K,這4k是steppingstone，後面會介紹

                                                         @ nand flash中的代碼在復位後會移到內部ram中，此ram只有4K

            bl      main                          @ 調用C程序中的main函數

halt_loop:

            b       halt_loop

 

下面是key_led.c文件

 

#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對應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對應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對應的4根引腳設爲輸出

        GPBCON = GPB5_out | GPB6_out | GPB7_out | GPB8_out ;

        // K1-K4對應的2根引腳設爲輸入

        GPGCON = GPG0_in & GPG3_in & GPG6_in & GPG7_in ;

        

        while(1){

            //若Kn爲0(表示按下)，則令LEDn爲0(表示點亮)

            dwDat = GPGDAT;             // 讀取GPG管腳電平狀態

        

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

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

            else    

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

                

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

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

            else    

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

            

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

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

            else    

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

    

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

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

            else    

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

    }

    return 0;

}

 

最後是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

 

測試效果