5 GPIO介面

5.1 GPIO硬體介面介紹

• GPIO General Purpose I/O Port，通用輸入、輸出埠。簡單說就是這個埠可以配成輸入的（讀電平訊號），也可以配成輸出的（設定電平訊號）
• 無論是輸入還是輸出都是通過暫存器來實現的
  
  • 輸入 通過讀某個暫存器來確定引腳電平是高還是低，是1還是0
  • 輸出 通過寫入某個暫存器讓這個引腳輸出高電平或者低電平，1或者0
• 具體的暫存器設定需要看硬體手冊，這裡以2440為例
  
  • GPxCON暫存器
  • GPxDAT暫存器
  • GPxUP暫存器
    
    
    
    
    以上是GPACON GPADAT暫存器的手冊說明。
    從中可以看到A組GPIO的控制和資料暫存器的地址，編碼格式。
• GPACON和GPADAT都是4位元組，32位的暫存器，地址分別是0x56000000 0x56000004
• GPACON的有效配置位是0到24，分別對應GPA0到GPA24，每個埠一位
• GPACON的每一個埠，配置成0表示用作output埠，配置為1代表不同的控制訊號，用作各種專門的用途
• GPADAT的0到24位，對應GPA0到24，用作output埠時，管腳的電平根據暫存器的設定來輸出；用作其他用途的時候根據各自的用途，晶片自動設定
• GP A組的管腳作用特殊，我們可以看下B組的控制暫存器格式，B組是通用的
  
  
  
  
  這是B組的GPIO暫存器格式，用3個暫存器控制。GPBCON的控制配置，GPBDAT的資料配置，GPBUP的狀態配置。
• 與A組不同，GPBCON每2位控制一個GPIO管腳，可以有4種工作方式
  
  • 00 輸入
  • 01 輸出
  • 10 特殊功能
  • 11 保留
• GPBDAT
  
  • 對應管腳是輸入管腳的時候，通過對應的暫存器位判斷輸入訊號
  • 對應管腳是輸出管腳的時候，通過設定對應的暫存器位，輸出訊號
• GPBUP
  
  • 0 對應的管腳使用上拉電阻
  • 1 對應管腳不使用上拉電阻
  • 關於上拉和下拉，指的是管腳懸空的時候，保持高電平狀態還是低電平狀態，可以簡單的這裡理解
• 暫存器的操作 *
• 暫存器的地址和格式定義都已經瞭解了，下面就是怎麼操作
  
  • 暫存器地址型別轉換為 volatile unsigned long 指標
  • 對這個指標進行間接定址操作，位操作，清零，置1

#define GPBCON      (*(volatile unsigned long *)0x56000010)
#define GPBDAT      (*(volatile unsigned long *)0x56000014)
#define GPB5_out    (1 << (5 * 2))

GPBCON |= GPB5_out;     // GPB5管腳設定為輸出管腳，其他部分不變
GPBDAT &= ~(1 << 5);   // GPB5輸出低電平

5.2 例項 點亮LED

彙編實現

• 先看電路圖，找到LED的連線
  
  能看到一共有3個LED燈，電源3.3V，分別連線了連線nLED1, nLED2, nLED4

那麼著條線分別連線到了2440的哪個介面呢

從上圖可以看到，這三條線分別連線到了2440的GPF4， GPF5，GPF6。
這樣的話，通過設定這三個埠到輸出埠，如果是高電平，LED燈沒有電勢差，不會亮；如果輸出0，那麼有電勢差，LED燈會亮。
* 點亮LED燈的步驟如下 *
- 設定GPIO F組的控制暫存器，GPF4到GPF6為輸出埠
- 控制GPF4到GPF6
- 1 高電平 LED不亮
- 0 低電平 LED亮

從上圖查到GPF的暫存器地址。

[led_on.s]
.text
.global _start
_start:
    LDR R0,=0x56000050      @ R0設為GPBCON暫存器，選擇F組GPIO引腳功能
    MOV R1,#0x00000500
    STR R1,[R0]             @ 這3個指令是存入某個暫存器一個給定值的套路

    LDR R0,=0x56000054
    MOV R1,#0x00000000
    STR R1,[R0]             @ GPF4,5輸出0，點亮LED1,2 保持LED3不亮

MAIN_LOOP:                  @ 程式碼部分注意不要在中文輸入模式，例如這句的冒號，如果是中文冒號，會顯示“無效指令 main_loop：”
    B MAIN_LOOP

[Makefile]
led_on.bin : led_on.s
    arm-linux-gcc -c -o led_on.o led_on.s
    arm-linux-ld -Ttext 0x00000000 -o led_on_elf led_on.o
    arm-linux-objcopy -O binary -S led_on_elf led_on.bin
clean :
    rm *.o led_on_elf led_on.bin

生成的bin檔案燒入開發板的0地址，即可觀察結果。

C語言實現

• C語言應用程式的入口是main，但是在基於作業系統的C語言程式中，呼叫main是作業系統完成的。在呼叫main之前還呼叫了crtl.o crti.o crtend.o ctrn.o這幾個啟動檔案。裸板程式無法依賴這些啟動檔案，因此需要自己編寫啟動檔案，啟動之後再呼叫main函式。 *
• 編寫啟動程式碼

[crt0.s]
.text
.global _start
_start:
    ldr r0,=0x53000000      @ 第一步關閉看門狗
    mov r1,#0
    str r1,[r0]

    ldr sp,=1024*4          @ 設定堆疊
    bl main                 @ 呼叫C語言程式main函式
halt_loop:
    b halt_loop

• 編寫C語言程式

[led_on_c.c]
#define GPFCON      (*(volatile unsigned long *)0x56000050)
#define GPFDAT      (*(volatile unsigned long *)0x56000054)
#define GPF_OUT(x)  (1 << (2 * (x)))
#define GPF_SET(x)  (1 << (x))

int main()
{
    /* 設定GPF4 5 6為輸出埠，GPF4 GPF6為高電平，LED2亮，LED1和3不亮 */
    GPFCON = GPF_OUT(4) | GPF_OUT(5) | GPF_OUT(6);
    GPFDAT = GPF_SET(4) | GPF_SET(6);
    return 0;
}

• 編寫Makefile

[Makefile]
led_on_c.bin : led_on_c.c crt0.s
    arm-linux-gcc -c led_on_c.c -o led_on_c.o
    arm-linux-gcc -c crt0.s -o crt0.o
    arm-linux-ld -Ttext 0x00000000 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
clean :
    rm *.o led_on_c_elf led_on_c.bin

• 擴充套件，讓LED燈按照2進位制計數器的方式閃爍

#define GPFCON      (*(volatile unsigned long *)0x56000050)
#define GPFDAT      (*(volatile unsigned long *)0x56000054)
#define GPF_OUT(x)  (1 << (2 * (x)))
#define LED_NUM(x)  (~(((x) & ~((~0) << 3)) << 4))

int main()
{
    unsigned int i;
    unsigned long j;
    /* led to count, in binary */
    GPFCON = GPF_OUT(4) | GPF_OUT(5) | GPF_OUT(6);
    for (i = 0;;i = ++i % 8)
    {
        GPFDAT = LED_NUM(i);
        for (j = 0; j < 1000000; j++)
            ;
    }
    return 0;
}