第5章通用输入/输出接口GPIO
本章学习目标
 了解GPIO功能及寄存器操作； 
 了解S5PV210芯片的GPIO控制器及其应用。
5.1GPIO硬件介绍
5.1.1GPIO概述

GPIO(General Purpose Input/Output，通用输入/输出接口)，通俗点讲就是一些引脚，可以通过它们向外输出高低电平，或者读入引脚的状态，这里的状态也是通过高电平或低电平来反应，所以GPIO接口技术可以说是众多接口技术中最为简单的一种。
GPIO接口具有更低的功率损耗、布线简单、封装尺寸小、控制简单等优点，故其使用非常广泛，在嵌入式系统中占有很大的比重。GPIO接口通常至少有两个寄存器，即“通用I/O控制寄存器”和“通用I/O数据寄存器”，数据寄存器的各位直接引到芯片外部供外部设备使用，各位上对应的信号是输入、输出还是其他特殊功能，可以通过设置控制寄存器中的对应位独立地控制。除这两种基本的寄存器外，有时还有上拉寄存器，通过它可以设置I/O输出模式是高阻态的，还是带上拉电平输出的，或不带上拉电平输出的。在S5PV210中，还引入了驱动强度控制寄存器来调节输出电流的强度，此外，还有功耗控制寄存器用来设置相应引脚的功耗。这些额外增加的寄存器可以使电路设计变得简单，在信号控制上也方便很多。
5.1.2S5PV210的GPIO寄存器
S5PV210的GPIO寄存器在数量和功能上比之前的S3C2440增加了许多，有些PIN脚不能作为通常的输入/输出引脚来用，比如不能直接用作OneNAND控制信号和数据信号、I2S接口等。另外，GPIO接口组寄存器由4位来控制，扩展了GPIO引脚的功能。所以S5PV210的GPIO已不仅仅只有GPIO的功能，同时向后也是兼容的。本章只讨论常用的GPIO相关的知识，对于其他的功能引脚不做特别介绍，在后续章节用到时再做分析。
1. S5PV210的GPIO寄存器总览
GPA0： 8 in/out port——带流控的2×UART； 
GPA1： 4 in/out port——带流控的2×UART或1×UART； 
GPB： 8 in/out port——2×SPI总线接口； 
GPC0： 5 in/out port——I2S总线接口、PCM接口、AC97接口； 
GPC1： 5 in/out port——I2S总线接口、SPDIF接口、LCD_FRM接口； 
GPD0： 4 in/out port——PWM接口； 
GPD1： 6 in/out port——3×I2C接口、PWM接口、IEM接口； 
GPE0、1： 13 in/out port——Camera接口； 
GPF0、1、2、3： 30 in/out port——LCD接口； 
GPG0、1、2、3： 28 in/out port——4×MMC通道(通道0和2支持4位、8位模式，通道1和3仅支持4位模式)； 
GPI： 低功率I2S接口、PCM接口(不使用in/out port)，通过AUDIO_SS PDN寄存器配置低功耗PDN； 
GPJ0、1、2、3、4： 35 in/out port——Modem接口、CAMIF、CFCON、KEYPAD、SROM ADDR［22:16］； 
MP0_1,2,3： 20 in/out port——外部总线接口(EBI)信号控制(SROM、NF、OneNAND)； 
MP0_4_5_6_7： 32 in/out memory port——EBI； 
MP1_0~8： 71 DRAM1 port(不使用in/out port)； 
MP2_0~8： 71 DRAM2 port(不使用in/out port)； 
ETC0、ETC1、ETC2、ETC4： 28 in/out ETC port——JTAG、Operating Mode、RESET、CLOCK(ETC3保留)。
2. 特征介绍
S5PV210关键特征如下： 
 支持146个可控的GPIO中断； 
 支持32个可控外部中断； 
 支持237个多功能输入/输出接口； 
 支持在系统睡眠模式下引脚可控(除GPH0、GPH1、GPH2和GPH3)。
3. S5PV210的GPIO功能介绍
S5PV210的GPIO包含两部分，即带电部分(alivepart)和不带电部分(offpart)，对于alivepart模式下的GPIO寄存器，在睡眠模式时提供电源，所以寄存器中的值不会丢失； 在offpart模式下则不同。S5PV210的功能如图51所示。


图51GPIO功能模块图



5.1.3实验用到的寄存器详解
S5PV210的GPIO寄存器非常多，每个接口组有两种类型的控制寄存器，一种工作在正常模式，另一种工作在掉电模式(STOP、DEEPSTOP、SLEEP mode)，下面只针对本章实验用到的GPIO接口GPC0进行介绍，其他的GPIO接口用法可以依葫芦画瓢。GPC0的控制寄存器有GPC0CON、GPC0DAT、GPC0PUD、GPC0DRV、GPC0CONPDN和GPC0PUDPDN，前面4类工作在正常模式，后面2类工作在掉电模式。
1） GPC0CON寄存器
此寄存器为GPC0引脚的控制寄存器，主要用途是配置各引脚的功能，此引脚对应的内存地址是0xE020_0060。表51是S5PV210手册里关于GPC0_3、GPC0_4引脚的配置信息。

表51GPC0控制寄存器



GPC0CON位描述初 始 状 态

GPC0CON［4］［19:16］0000 =输入

0001 =输出

0010 = I2S_1_SDO

0011 = PCM_1_SOUT

0100 = AC97SDO

0101~1110 =保留

1111 = GPC0_INIT［4］中断0000
GPC0CON［3］［15:12］0000 =输入

0001 =输出

0010 = I2S_1_SDI

0011 = PCM_1_SIN

0100 = AC97SDI

0101~1110 =保留

1111 = GPC0_INIT［3］中断0000

从表中可以看出，每4位控制一个引脚(GPC0_3或GPC0_4)，当值为0b0000时引脚被设为输入功能，当值为0b0001时设为输出功能，当值为0b0010~0b0100时引脚设为特殊功能引脚，当值为0b1111时设为中断引脚，0b0101~0b1110保留未使用。
2） GPC0DAT寄存器
此引脚对应的内存地址是0xE020_0064，该寄存器决定了引脚的输入或输出电平的状态，当引脚设为输入时，通过读寄存器可知对应引脚电平状态是高还是低。当引脚设为输出时，写寄存器对应位可使引脚输出高电平或低电平； 当引脚被设为功能引脚时，如果读寄存器对应引脚的值是不确定的。实验使用的引脚是GPC0DAT［4:3］。
3） GPC0PUD寄存器
此引脚对应的内存地址是0xE020_0068，使用两位来控制1个引脚。当值为0b00时，对应引脚无上拉/下拉电阻； 当值为0b01时，有内部下拉电阻； 当值为0b10，有内部上拉电阻； 当值为0b11时为保留。
上拉/下拉电阻的作用是当GPIO引脚处于高阻态(既不是输出高电平，也不是输出低电平，相当于没有接入)时，它的电平状态由上拉电阻或下拉电阻决定。
4） GPC0DRV寄存器
此引脚对应的内存地址是0xE020_006C，该寄存器为接口组驱动能力控制寄存器，主要用于调节引脚的电流强度，S5PV210给出了4种强度，由2位控制，数值越大强度越大。通常对于高速信号或较弱的周边装置，可调大对应引脚的强度值，在实际使用中需要合理使用该寄存器，强度越大电流消耗也越大。
5） GPC0CONPDN寄存器
此引脚对应的内存地址是0xE020_0070，用2位来控制引脚的功能。当值为0b00时，引脚输出低电平； 当值为0b01时，输出高电平； 当值为0b10时，对应引脚被设为输入； 当值为0b11时，引脚保持原来的状态。
6） GPC0PUDPDN寄存器
此引脚对应的内存地址是0xE020_0074，用2位来控制引脚。当值设为0b00时，无上拉/下拉电阻； 当值为0b01时，有下拉电阻； 当值为0b10时，有上拉电阻； 当值为0b11时保留。GPCOPUDPDN寄存器的功能与GPCOPUD类似。


视频讲解


5.2S5PV210的GPIO应用实例
5.2.1GPIO实验
1. 实验目的

利用S5PV210的GPC0_3、GPC0_4这两个GPIO引脚控制2个LED发光二极管，分别用汇编语言和C语言实现。
2. 实验原理
如图52所示，LED1、LED2分别与GPC0_3、GPC0_4相连，中间接两个NPN型三极管。当GPIO引脚输出高电平时三极管与地(GND)导通，LED灯亮； 反之，输出低电平，LED灯就灭。这里的三极管有点像“开关”，控制着LED的亮灭。


图52GPIO功能模块图


注： 从本章开始所有的实验都基于TQ210开发板设计与测试，但是原理适用于所有ARM架构学习板，读者有兴趣可以将本书所有实验移植到其他学习板上，做到学以致用。


视频讲解


5.2.2程序设计与代码详解
1. 用汇编语言实现点亮LED1

在上一章我们对S5PV210的启动过程以及SD启动卡的制作都进行了详细的介绍，下面主要分析程序设计部分，源代码存放在/opt/hardware/ch6/led_on，汇编语言操控GPIO的代码如下所示，相关代码在led_on.S文件中。

01 .text

02 .global _start			/* 声明一个全局的标号 */

03 _start:

04ldrr0,=0xE0200060/* GPC0CON寄存器的地址为0xE0200060 */

05ldr r1, ［r0］ /* 读出GPC0CON寄存器原来的值 */

06bic r1, r1, #0xf000/* bit［15:12］清零 */

07orrr1,r1,#0x1000/* 设置GPC0_3［15:12］=0b0001 */

08strr1,［r0］/* 写入GPC0CON，配置GPC0_3为输出引脚 */

09ldrr0,=0xE0200064/* GPC0DAT寄存器的地址为0xE0200064 */

10ldrr1,［r0］/* 读出GPC0DAT寄存器原来的值 */

11bicr1,r1,#0x8/* bit［3］清零 */

12orrr1,r1,#0x8/* bit［3］=1 */

13strr1,［r0］/* 写入GPC0DAT，GPC0_3输出高电平 */

14 halt_loop:

15 bhalt_loop/* 死循环，不让程序跑飞 */

整个代码量很少也很简单，这里有两个地方需要注意： 
(1) 在S3C2440等平台上，我们都要先关看门狗，如果是用C语言实现，还要设置栈。而在S5PV210中，这些动作都已在厂家固化的代码BL0里做好了，如对此不清楚，可以再回顾第4章的内容。
(2) 对寄存器位的修改，通常都是先读出寄存器，然后修改对应位，再写回寄存器，其他位保持不变，这样做的目的是不改变其他引脚状态。
下面是编译用到的Makefile文件： 

01 led_on.bin:led_on.S

02arm-linux-gcc -c -o led_on.o led_on.S

03arm-linux-ld -Ttext 0xD0020010 led_on.o -o led_on_elf

04arm-linux-objcopy -O binary -S led_on_elf led_on.bin

05arm-linux-objdump -D led_on_elf > led_on.dis

06 clean:

07rm -f led_on.bin led_on_elf *.o

这个Makefile文件可以说是一个最基本的Makefile语法格式(目标依赖命令)，各编译工具及其参数在配套资源补充资料第1章中有介绍。0xD002_0010为程序的链接地址(即运行地址，也是BL1的有效地址)。这里要再次提醒的是，命令前面一定要有一个Tab制表符，这是Makefile语法上的规定，否则make工具就不认识了！
接下来就可以用FTP将所有代码上传到宿主机(Ubuntu系统)编译，编译非常简单，只要在代码所在的目录下执行make命令即可，最终生成二进制格式的bin文件。

$ cd /opt/examples/ch6/led_on

$ make

最后将生成好的bin文件按第4章介绍的步骤烧写到SD卡中，将目标板拨到SD卡启动，插入SD卡上电即可看到LED1灯被点亮。
关于本书所使用的TQ210开发板的SD卡启动方式和NAND启动方式，对应拨码开关的设置如图53所示。


图53TQ210开发板启动方式拨码开关设置


2. 用C语言实现循环点亮两个LED
用C语言实现，其汇编代码就变得更加简单了，只需一个跳转语句。下面分三步来实现C语言。
循环点亮两个LED灯，代码在/opt/hardware/ch6/led_on_c。
1) 启动代码start.S

01 .text

02 .global _start　　/* 声明一个全局的标号 */

03 _start:

04bl main　　/* 跳转到C函数中执行 */

05

06 halt_loop:

07 bhalt_loop　　/*死循环，不让程序跑飞*/

2) 循环点亮LED灯

01 #define GPC0CON*((volatile unsigned int *)0xE0200060)

02 #define GPC0DAT*((volatile unsigned int *)0xE0200064)

03

04 #defineGPC0_3_out(1<<(3*4))

05 #defineGPC0_4_out(1<<(4*4))

06

07 #defineGPC0_3_MASK(0xF<<(3*4))

08 #defineGPC0_4_MASK(0xF<<(4*4))

09

10 void delay(volatile unsigned long dly)

11 {

12volatile unsigned int t = 0xFFFF;

13while (dly--)//CortexA8默认时钟频率都达到了667MHz

13 for(; t > 0; t--);//循环次数必须设大一点，否则看不出闪烁效果

14 }

15

16 int main(void)

17 {

18unsigned long i = (1 << 3);

19GPC0CON &= ~(GPC0_3_MASK | GPC0_4_MASK);//清bit［15:12］和bit［19:16］

20GPC0CON |= (GPC0_3_out | GPC0_4_out); //配置GPC0_3和GPC0_4为输出引脚

21

22while (1)

23{

24delay(0x50000);//延时

25GPC0DAT &= ~(0x3 << 3);//LED1和LED2熄灭

26if (i == 0x08)

27i = (1 << 4);

28else

29i = (1 << 3);

30GPC0DAT |= i;//循环点亮LED灯

31}

32return 0;

33 }

上述代码的功能实现比汇编稍复杂，这里是循环点亮了两个LED，不过基本原理是一样的，都是配置寄存器和往寄存器写入数值。在操作方法上，C语言对寄存器的操作是通过宏函数实现的，这个宏就代表了寄存器的地址，往这个地址中写入数据就可以配置GPIO引脚的功能。下面通过一个C语言指针的例子来理解宏定义的功能。

int a; 　　//定义一个整型变量a

int *p; 　　//定义一个整型指针变量p

p=&a;　　//指针指向变量a

*p = 6　　//变量a的值等于6

上面几行代码是C语言指针最基本的用法，通常可以把指针看作一个地址，比如这里指针p就等于变量a的地址，假设变量a的地址为0x12345678，对指针p操作就相当于操作地址： 

int *p;

p = 0x12345678;

为方便理解，实际p = (int *)0x12345678，这里的(int *)是将地址转换为int类型。
*p表示地址中的内容，比如上面的6，换句话说，变量a的值与*p是同一个值，现在修改地址0x12345678的内容为8，只需要如下操作即可： 

*p = 8;    //与a = 8是等价的

也就相当于： 

*(0x12345678) = 8;
或者严格写成*((int *)0x12345678) = 8;

上面这样写看上去有点别扭，可以定义一个宏来表示： 

#define A *((int *)0x12345678)

A = 8;

分析到这里，再看看程序中定义的宏与这里的宏是不是很相似了。这里还有一个关键字volatile需要说明下，它的本意是“易变的”，由于访问寄存器要比访问内存单元快得多，所以编译器一般都会进行减少存取内存的优化，直接从缓存cache中取数据这样会有一个问题，即可能会读取到“脏”数据（数据被其他程序代码修改）。当用volatile声明的时候，其实就是告诉编译器对访问该地址的代码不要优化了，使用的时候系统总是从它的内存读取数据，以保证不“脏”。
3) 编写Makefile

01 objs := start.o leds.o

02

03 leds.bin: $(objs)

04arm-linux-ld -Ttext 0xD0020010 -o leds.elf $^

05arm-linux-objcopy -O binary -S leds.elf $@

06arm-linux-objdump -D leds.elf > leds.dis

07

08 %.o : %.c

09arm-linux-gcc -c -O2 $< -o $@

10 %.o : %.S

11arm-linux-gcc -c -O2 $< -o $@

12 clean:

13rm -f *.o *.elf *.bin *.dis

这里的Makefile文件看似比上一个Makefile要复杂，主要是引入了一些变量的用法，目的是加深对Makefile的了解，更多Makefile知识见配套资源补充资料第1章中的内容。