嵌入式Linux应用开发-基础知识-第三章 LED原理图-GPIO及操作

第三章 硬件知识_LED 原理图

当我们学习 C 语言的时候，我们会写个 Hello 程序。
那当我们写 ARM 程序，也该有一个简单的程序引领我们入门，这个程序就是点亮 LED。

我们怎样去点亮一个 LED 呢？
分为三步：
1.看原理图，确定控制 LED 的引脚;
2.看主芯片的芯片手册，确定如何设置控制这个引脚;
3.写程序;

3.1 先来讲讲怎么看原理图

LED 样子有很多种，像插脚的，贴片的。

它们长得完全不一样，因此我们在原理图中将它抽象出来。

点亮 LED 需要通电源，同时为了保护 LED，加个电阻减小电流。
控制 LED 灯的亮灭，可以手动开关 LED，但在电子系统中，不可能让人来控制开关，通过编程，利用芯片的引脚去控制开关。

LED 的驱动方式，常见的有四种。
方式 1：使用引脚输出 3.3V 点亮 LED，输出 0V 熄灭 LED。
方式 2：使用引脚拉低到 0V 点亮 LED，输出 3.3V 熄灭 LED。

有的芯片为了省电等原因，其引脚驱动能力不足，这时可以使用三极管驱动。
方式 3：使用引脚输出 1.2V 点亮 LED，输出 0V 熄灭 LED。
方式 4：使用引脚输出 0V 点亮 LED，输出 1.2V 熄灭 LED。

由此，主芯片引脚输出高电平/低电平，即可改变 LED 状态，而无需关注 GPIO 引脚输出的是 3.3V 还是1.2V。
所以简称输出 1 或 0：
逻辑 1–>高电平
逻辑 0–>低电平

第四章 普适的 GPIO 引脚操作方法

GPIO: General-purpose input/output，通用的输入输出口

4.1 GPIO 模块一般结构

a. 有多组 GPIO，每组有多个 GPIO
b. 使能：电源/时钟
c. 模式(Mode)：引脚可用于 GPIO 或其他功能
d. 方向：引脚 Mode 设置为 GPIO 时，可以继续设置它是输出引脚，还是输入引脚
e. 数值：对于输出引脚，可以设置寄存器让它输出高、低电平
对于输入引脚，可以读取寄存器得到引脚的当前电平

4.2 GPIO 寄存器操作

a. 芯片手册一般有相关章节，用来介绍：power/clock
可以设置对应寄存器使能某个 GPIO 模块(Module)
有些芯片的 GPIO 是没有使能开关的，即它总是使能的
b. 一个引脚可以用于 GPIO、串口、USB 或其他功能，
有对应的寄存器来选择引脚的功能
c. 对于已经设置为 GPIO 功能的引脚，有方向寄存器用来设置它的方向：输出、输入
d. 对于已经设置为 GPIO 功能的引脚，有数据寄存器用来写、读引脚电平状态

GPIO 寄存器的 2 种操作方法：
原则：不能影响到其他位
1) 直接读写：读出、修改对应位、写入
要设置 bit n：
val = data_reg;
val = val | (1<<n);
data_reg = val;
要清除 bit n：
val = data_reg;
val = val & ~(1<<n);
data_reg = val;

2) set-and-clear protocol：
set_reg, clr_reg, data_reg 三个寄存器对应的是同一个物理寄存器,
要设置 bit n：set_reg = (1<<n);
要清除 bit n：clr_reg = (1<<n);

4.3 GPIO 的其他功能：防抖动、中断、唤醒

后续章节再介绍

第五章 具体单板的 GPIO 操作方法

请使用 GIT 下载文档后，看下图红框所示目录中各板子对应的文档及图片。
网盘中相同名字的目录下也有对应的视频。

为方便学习，在本文档中也把上述 GIT 目录中的文档添加进来了。

5.1 AM335X 的 GPIO 操作方法

GPIO: General-purpose input/output，通用的输入输出口
PRCM: Power, Reset, and Clock Management (电源、复位、时钟管理器)
CM: Control Module(控制模块) 或 Clock Module (时钟模块)
PRM_PER: Power Reset Module Peripheral Registers(电源/复位模块中关于外设的寄存器)
CM_PER: Clock Module Peripheral Registers (时钟模块中关于外设的寄存器)

5.1.1 AM335X 的 GPIO 模块结构

有 4 组 GPIO（GPIO0～3），每组有 32 个 GPIO。
GPIO 的控制涉及 3 大模块：PRCM、Control Module、GPIO 模块本身。
① PRCM 用于使能模块：
GPIO0 永远都是使能的，GPIO1～3 可单独控制。
PRCM 模块给 GPIO 模块常供电，只需要使能 GPIO 模块的时钟。
② Control Module 用于设置模式(Mode)：
设置引脚的 Mode(即选择功能)、上下拉电阻等；
每一个 GPIO 引脚在 Control Module 中都有一个寄存器，怎么找到这个寄存器？
a. 根据 pin number 确定 pin name
b. 根据 pin name 在 Control Module 中确定寄存器

③ GPIO 模块内部：
方向：引脚 Mode 设置为 GPIO 时，可以继续设置它是输出引脚，还是输入引脚。
数值：对于输出引脚，可以设置寄存器让它输出高、低电平；
对于输入引脚，可以读取寄存器得到引脚的当前电平。

5.1.2 AM335X 的 GPIO 相关寄存器

5.1.3 set-and-clear 协议

假设某个 GPIO 被设置为输出，怎么设置它的输出电平呢？AM335X 中对于每个 GPIO 模块有一个
GPIO_DATAOUT 寄存器，其中的每一位对应一个引脚，如下：

要设置某一位时，不能影响到其他位，操作方法是：读出原来的值，修改某一位，把新值写回去。需要3 个步骤才可以设置某一位的值，这效率太低了！

使用 set-and-clear 可以只用一个步骤即可修改某一位的值。
当想设置某一位为 1 时，往 DATA_SETDATAOUT 寄存器中某位写入 1 即可，芯片内部会把对应引脚的电平设置为 1，并且不会影响其他引脚：

并非所有的芯片都有 set-and-clear 功能，TI 的 AM335X 系列芯片有这功能。

5.2 RK3288 的 GPIO 操作方法

GPIO: General-purpose input/output，通用的输入输出口
CRU: Clock & Reset Unit (时钟和复位单元)
PMU: Power Managerment Unit (电源管理单元)
GRF: General Register Files (通用寄存器文件)

5.2.1 RK3288 的 GPIO 模块结构

有 9 组 GPIO（GPIO0～8），每组分为最多 4 个小组 port A/B/C/D，每小组最多 8 个 GPIO。理论上每组GPIO 的引脚有 32 个，但是实际上并没有那么多。比如 GPIO0 只有 GPIO0_A0～A7、GPIO0_B0～B7、GPIO0_C0～C2 这些引脚。
GPIO 的控制涉及 4 大模块：CRU、PMU、GRF、GPIO 模块本身。
① CRU 用于设置是否向 GPIO 模块提供时钟：
CRU 的内部结构如下图所示：

可以设置寄存器使能 GPIOx 的时钟：
a. CRU_CLKGATE17_CON 用于控制 GPIO0；
b. CRU_CLKGATE14_CON 用于控制 GPIO1～8

② PMU 用于控制电源：
电源管理单元里，有多个电源域(power domain，简称为 PM)，在一个域下有多个设备。
比如 PD_ALIVE，它下面有这些设备：CRU、GRF、GPIO 1~8、TIMER 或 WDT。
比如 PD_PMU，它下面有这些设备：PMU、SRAM(4K)、Secure GRF、GPIO0。
可见，GPIO0、GPIO1~8 分属不同的 PM。
GPIO0、GPIO1～8 都是常供电的，它们是否工作取决于其时钟是否使能。

③ 设置引脚的模式(Mode、功能)：
GPIO0 比较特殊，为了让其引脚用于 GPIO 功能，要设置 PMU 里的相关寄存器。
GPIO1～8 类似，为了让其引脚用于 GPIO 功能，要设置 GRF 里的相关寄存器。

④ GPIO 模块内部：
方向：引脚设置为 GPIO 时，可以继续设置寄存器 GPIO_SWPORTA_DDR 确定它是输出引脚，还是输入引脚。
数值：对于输出引脚，可以设置寄存器 GPIO_SWPORTA_DR 让它输出高、低电平；
对于输入引脚，可以读取寄存器 GPIO_EXT_PORTA 得到引脚的当前电平。

5.2.2 RK3288 的 GPIO 相关寄存器

5.3 RK3399 的 GPIO 操作方法

GPIO: General-purpose input/output，通用的输入输出口
CRU: Clock & Reset Unit (时钟和复位单元)
PMU: Power Managerment Unit (电源管理单元)
GRF: General Register Files (通用寄存器文件)

5.3.1 RK3399 的 GPIO 模块结构

有 5 组 GPIO（GPIO0～4），每组分为最多 4 个小组 port A/B/C/D，每小组最多 8 个 GPIO。理论上每组 GPIO 的引脚有 32 个，但是实际上并没有那么多。比如 GPIO0 只有 GPIO0_A0～A7、GPIO0_B0～B5 这些引脚。

① CRU 用于设置是否向 GPIO 模块提供时钟
a. PMUCRU_CLKGATE_CON1 用于控制 GPIO0～1；
b. CRU_CLKGATE_CON31 用于控制 GPIO2～4

② PMU 用于控制电源：
电源管理单元里，有多个电源域(power domain，简称为 PM)，在一个域下有多个设备。
比如 PD_ALIVE，它下面有这些设备：CRU、GRF、GPIO 1~4、TIMER 或 WDT。
比如 PD_PMU，它下面有这些设备：cm0、PMU、SRAM(8K)、Secure GRF、GPIO0、PVTM、I2C。
可见，GPIO0、GPIO1~4 分属不同的 PM。
GPIO0、GPIO1～4 都是常供电的。

③ 设置引脚的模式(Mode、功能)：
GPIO0～1 比较特殊，为了让其引脚用于 GPIO 功能，要设置 PMU 里的相关寄存器。
GPIO2～4 类似，为了让其引脚用于 GPIO 功能，要设置 GRF 里的相关寄存器。

④ GPIO 模块内部：
方向：引脚设置为 GPIO 时，可以继续设置寄存器 GPIO_SWPORTA_DDR 确定它是输出引脚，还是输入引脚。
数值：对于输出引脚，可以设置寄存器 GPIO_SWPORTA_DR 让它输出高、低电平；
对于输入引脚，可以读取寄存器 GPIO_EXT_PORTA 得到引脚的当前电平。

5.3.2 RK3399 的 GPIO 相关寄存器

5.4 IMX6ULL 的 GPIO 操作方法

CCM: Clock Controller Module (时钟控制模块)
IOMUXC : IOMUX Controller，IO 复用控制器
GPIO: General-purpose input/output，通用的输入输出口

5.4.1 IMX6ULL 的 GPIO 模块结构

参考资料：芯片手册《Chapter 28: General Purpose Input/Output (GPIO)》
有 5 组 GPIO（GPIO1～GPIO5），每组引脚最多有 32 个，但是可能实际上并没有那么多。
GPIO1 有 32 个引脚：GPIO1_IO0~GPIO1_IO31；
GPIO2 有 22 个引脚：GPIO2_IO0~GPIO2_IO21；
GPIO3 有 29 个引脚：GPIO3_IO0~GPIO3_IO28；
GPIO4 有 29 个引脚：GPIO4_IO0~GPIO4_IO28；
GPIO5 有 12 个引脚：GPIO5_IO0~GPIO5_IO11；

GPIO 的控制涉及 4 大模块：CCM、IOMUXC、GPIO 模块本身，框图如下：

5.4.2 CCM 用于设置是否向 GPIO 模块提供时钟

参考资料：芯片手册《Chapter 18: Clock Controller Module (CCM)》

GPIOx 要用 CCM_CCGRy 寄存器中的 2 位来决定该组 GPIO 是否使能。哪组 GPIO 用哪个 CCM_CCGR 寄存器来设置，请看上图红框部分。
CCM_CCGR 寄存器中某 2 位的取值含义如下：

① 00：该 GPIO 模块全程被关闭
② 01：该 GPIO 模块在 CPU run mode 情况下是使能的；在 WAIT 或 STOP 模式下，关闭
③ 10：保留
④ 11：该 GPIO 模块全程使能

GPIO2 时钟控制：

GPIO1、GPIO5 时钟控制：

GPIO3 时钟控制：

GPIO4 时钟控制：

5.4.3 IOMUXC：引脚的模式(Mode、功能)

参考资料：芯片手册《Chapter 32: IOMUX Controller (IOMUXC)》。

对于某个/某组引脚，IOMUXC 中有 2 个寄存器用来设置它：
① 选择功能：
IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_ ：Mux pad xxx，选择某个 pad 的功能
IOMUXC_SW_MUX_CTL_GRP_：Mux grp xxx，选择某组引脚的功能
某个引脚，或是某组预设的引脚，都有 8 个可选的模式(alternate (ALT) MUX_MODE)。

比如：

② 设置上下拉电阻等参数：
IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_<PAD_NAME>：pad pad xxx，设置某个 pad 的参数
IOMUXC_SW_PAD_CTL_GRP_：pad grp xxx，设置某组引脚的参数

比如：

5.4.4 GPIO 模块内部

我们暂时只需要关心 3 个寄存器：
① GPIOx_GDIR：设置引脚方向，每位对应一个引脚，1-output，0-input

② GPIOx_DR：设置输出引脚的电平，每位对应一个引脚，1-高电平，0-低电平

③ GPIOx_PSR：读取引脚的电平，每位对应一个引脚，1-高电平，0-低电平

5.4.5 读 GPIO

翻译一下：
① 设置 CCM_CCGRx 寄存器中某位使能对应的 GPIO 模块 // 默认是使能的，上图省略了
② 设置 IOMUX 来选择引脚用于 GPIO
③ 设置 GPIOx_GDIR 中某位为 0，把该引脚设置为输入功能
④ 读 GPIOx_DR 或 GPIOx_PSR 得到某位的值（读 GPIOx_DR 返回的是 GPIOx_PSR 的值）

5.4.6 写 GPIO

翻译一下：
① 设置 CCM_CCGRx 寄存器中某位使能对应的 GPIO 模块 // 默认是使能的，上图省略了
② 设置 IOMUX 来选择引脚用于 GPIO
③ 设置 GPIOx_GDIR 中某位为 1，把该引脚设置为输出功能
④ 写 GPIOx_DR 某位的值

需要注意的是，你可以设置该引脚的 loopback 功能，这样就可以从 GPIOx_PSR 中读到引脚的有实
电平；你从 GPIOx_DR 中读回的只是上次设置的值，它并不能反应引脚的真实电平，比如可能因为硬件故障导致该引脚跟地短路了，你通过设置 GPIOx_DR 让它输出高电平并不会起效果。