i.MX6ULL驅(qū)動(dòng)開發(fā)3—GPIO寄存器配置原理

前面的兩篇Linux驅(qū)動(dòng)文章

【i.MX6ULL】驅(qū)動(dòng)開發(fā)1--字符設(shè)備開發(fā)模板

【i.MX6ULL】驅(qū)動(dòng)開發(fā)2--新字符設(shè)備開發(fā)模板

介紹了字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的兩種新舊開發(fā)方式，并使用一個(gè)虛擬的字符驅(qū)動(dòng)來學(xué)習(xí)字符設(shè)備的開發(fā)的流程。

本篇起，就要來操作Linux開發(fā)板的硬件，首先當(dāng)然是通過經(jīng)典的點(diǎn)亮LED燈程序，來學(xué)習(xí)Linux IO口操作的字符設(shè)備開發(fā)流程。

對(duì)比STM32的點(diǎn)燈程序，有寄存器操作與庫函數(shù)操作兩種，但其本質(zhì)都是在配置寄存器。

同樣，i.MX6ULL也有多種點(diǎn)燈方式：

裸機(jī)系統(tǒng)：匯編操作寄存器點(diǎn)燈、C語言操作寄存器點(diǎn)燈

跑Linux系統(tǒng)：字符驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)燈、設(shè)備樹驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)燈

究其本質(zhì)，最終都是要操作i.MX6ULL的寄存器。比如，在控制GPIO引腳實(shí)現(xiàn)LED亮滅時(shí)，會(huì)進(jìn)行類似如下的寄存器配置：

/* 寄存器物理地址 */

#define CCM_CCGR1_BASE              (0X020C406C)    

#define SW_MUX_SNVS_TAMPER3_BASE   (0X02290014)

#define SW_PAD_SNVS_TAMPER3_BASE   (0X02290058)

#define GPIO5_DR_BASE               (0X020AC000)

#define GPIO5_GDIR_BASE             (0X020AC004)

那這些寄存器都是什么作用呢？這些地址是怎么確定的呢？

所以，在學(xué)習(xí)GPIO控制LED點(diǎn)燈之前，需要先了解清楚有關(guān)GPIO的寄存器配置。

既然是要操作硬件，首先就來看一下i.MX6ULL這個(gè)芯片的IO口基本信息。

1 認(rèn)識(shí)Linux開發(fā)板的GPIO口

首先要明確：IO與GPIO是兩個(gè)概念，GPIO是屬于IO的一部分。

IO: Input Output，用于CPU與外界進(jìn)行信息交互。例如CPU 讀內(nèi)存數(shù)據(jù)需要 I/O 系統(tǒng)，CPU 輸出數(shù)據(jù)到屏幕顯示出來也需要 I/O 系統(tǒng)，信息在 I/O 系統(tǒng)上傳輸有串行或并行。

GPIO: General-Purpose IO ports，即通用I/O口，在微控制器芯片上一般都會(huì)提供一個(gè)“通用可編程I/O接口”。接口至少有兩個(gè)寄存器——數(shù)據(jù)寄存器與控制寄存器。數(shù)據(jù)寄存器的各位直接引到芯片外部，控制寄存器則是對(duì)數(shù)據(jù)寄存器中每一位進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)置。

1.1 板子LED硬件原理圖

在開始介紹i.MX6ULL的GPIO之前，先來看一下板子的原理中對(duì)于LED的標(biāo)注。

我這塊板子(野火EBF6ULL S1 Pro)的原理圖中關(guān)于LED電路的部分，如下圖所示。

這里出現(xiàn)了兩種標(biāo)注：SNVS_TAMPER3與GPIO5_IO03，先對(duì)這兩個(gè)名稱有個(gè)印象，下面就來介紹其含義。

另外，從原理圖可以看出，低電平時(shí)LED燈會(huì)亮起。

1.2 GPIO邏輯結(jié)構(gòu)

下圖為i.MX6ULL的GPIO硬件結(jié)構(gòu)框圖，其中①和⑤的PAD表示i.MX6ULL芯片引出的GPIO引腳，其余部件都位于芯片內(nèi)部。

① PAD：它代表了i.MX6ULL芯片的一個(gè)GPIO引腳。

② IOMUX復(fù)用選擇器：與STM32的引腳復(fù)用功能類似，i.MX6ULL芯片的每個(gè)IO通過IOMUXC中的MUX寄存器和PAD寄存器設(shè)置，可以支持多種功能(如GPIO、IIC、USART...)。

③ Block外設(shè)功能控制塊：例如具有PWM輸出功能的引腳，它需要PWM外設(shè)的支持。

④ GPIO外設(shè)：GPIO模塊是每個(gè)IO都具有的外設(shè)， 它是IO控制的基本功能， 如輸出高低電平、 檢測(cè)電平輸入等。當(dāng)需要使用引腳的GPIO功能時(shí)，就要配置GPIO外設(shè)中的各個(gè)寄存器(DR、GDIR、PSR...)。

⑤ 與其它引腳的連接：這里是另一個(gè)引腳PAD2，它與PAD1有一根信號(hào)線連接，表示部分引腳的輸出可以作為另一個(gè)引腳的輸入。

1.2.1 PAD配置

PAD代表示i.MX6ULL 的GPIO引腳。其左側(cè)是一系列信號(hào)通道及控制線:

input_on控制輸入開關(guān)

Dir 控制引腳的輸入輸出方向

Data_out 控制引腳輸出高低電平

Data_in 作為信號(hào)輸入

這些信號(hào)都經(jīng)過一個(gè)IOMUX器件連接到左側(cè)的寄存器。

另外，對(duì)于每個(gè)引腳都有很多關(guān)于屬性的配置：

① PAD引腳

框圖最右側(cè)的PAD同樣是代表一個(gè)i.MX6ULL引腳。

② 輸出緩沖區(qū)（OBE，output buffer enable）

當(dāng)輸出緩沖區(qū)使能時(shí)，引腳被配置為輸出模式。該模式又包含了如下的屬性配置：

DSE 驅(qū)動(dòng)能力配置：通過調(diào)整芯片內(nèi)部與引腳串聯(lián)電阻 R0 的大小，從而改變引腳的驅(qū)動(dòng)能力。可以把R0的值配置為原值的1/2、1/3?1/7 等。

SRE 壓擺率配置：指電壓轉(zhuǎn)換速率，即電壓由波谷升到波峰的時(shí)間。增大壓擺率可減少輸出電壓的上升時(shí)間。

SPEED 帶寬配置：帶寬的意思是能通過這個(gè)IO口最高的信號(hào)頻率，可設(shè)置為50MHz、100MHz以及200MHz。

ODE 開漏輸出配置：開漏輸出模式常用在一些通訊總線中，如I2C。

③ 輸入緩沖區(qū)（IBE，input buffer enable）

當(dāng)輸入緩沖區(qū)使能時(shí)，引腳被配置為輸入模式。該模式又包含了如下的屬性配置：

HYS 滯后使能：i.MX6ULL的輸入檢測(cè)可以使用普通的 CMOS 檢測(cè)或施密特觸發(fā)器模式（滯后模式）。

④ Pull/Keeper上下拉、保持器

引腳的控制中還包含了上下拉、保持器的功能。

PUS 上下拉配置：可選為100K歐下拉以及22K歐、47K歐及100K歐上拉。

PUE 上下拉、保持器選擇：上下拉功能和保持器功能是二選一的，可以通過PUE來選擇。

PKE 上下拉、保持器配置：上下拉功能和保持器還通過PKE來控制是否使能。

1.2.2 IOMUX復(fù)用選擇器

與STM32的引腳復(fù)用功能類似，i.MX6ULL芯片的每個(gè)GPIO通過IOMUX設(shè)置，可以支持多種功能。

IOMUX由其左側(cè)的IOMUXC提供寄存器給用戶進(jìn)行配置，它又分成MUX_Mode（IO 模式控制）以及Pad Settings（Pad 配置）兩個(gè)部分：

① MUX_Mode配置：用來配置引腳的復(fù)用功能

② Pad Settings 配置：配置引腳的屬性，例如驅(qū)動(dòng)能力，是否使用上下拉電阻，是否使用保持器，是否使用開漏模式以及使用施密特模式還是CMOS模式等

在IOMUXC外設(shè)中關(guān)于MUX_Mode和Pad Settings寄存器命名格式如下:

1.3 GPIO命名

1.3.1 按照GPIO分組

i.MX6ULL芯片的GPIO被分成 5 組, 并且每組GPIO的數(shù)量不盡相同，例如GPIO1有32個(gè)引腳，GPIO2有22個(gè)引腳等等：

具體可查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)：

1.3.2 按照IO分組

此外，還有另一種命名方式，因?yàn)镚PIO是屬于IO的一種，因此按照I.MX6ULL的IO分類，可以分為兩大類：SNVS域的IO和通用的IO，這兩類IO本質(zhì)上是一樣的。

SNVS域的IO: 命名形式為IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX

XX_XX可以是如: BOOT_MODE0、SNVS_TAMPER0、TEST_MODE等。

通用的IO: 命名形式為IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX

XX_XX可以是如: GPIO1_IO01、UART1_TX_DATA、JTAG_MOD等。

所以，從IO名稱上，基本就可以看出該管腳的基本用途。

2 板子LED引腳配置

下面以 GPIO5_IO03引腳為例，也就是這次要控制的LED引腳，進(jìn)行配置:

2.1 IO配置

2.1.1 配置MUX寄存器

從下圖可以看出，IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3的MUX寄存器，其地址為0X2290014H。

這個(gè)寄存器是32位的，但只用到了低5位，其中bit0~bit3(MUX_MODE)就是設(shè)置SNVS_TAMPER3的復(fù)用功能的。

SNVS_TAMPER3只能復(fù)用為 種功能 IO，即ALT5作為 GPIO5_IO03。

2.1.2 配置PAD寄存器

PAD 寄存器的配置項(xiàng)相對(duì)于MUX寄存器就更加豐富了。

從下圖可以看出，IOMUXC_SNVS_SW_PAD_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3的PAD寄存器，其地址為0X2290058H。

這也是個(gè)32位寄存器，但是只用到了其中的低17位。

2.2 GPIO配置

上面的MUX和PAD這兩種寄存器都是配置IO的，當(dāng)把IO配置為了GPIO功能后，還有繼續(xù)對(duì)GPIO外設(shè)的各種寄存器進(jìn)行配置：

2.2.1 配置DR寄存器

DR（data register），即數(shù)據(jù)寄存器，它是32位的，一個(gè)GPIO組最大只有32個(gè)IO，因此DR寄存器中的每個(gè)位都對(duì)應(yīng)一個(gè) GPIO。

當(dāng)GPIO被配置為輸出模式后，向指定的位寫入數(shù)據(jù)那么相應(yīng)的IO就會(huì)輸出相應(yīng)的高低電平，例如，要設(shè)置GPIO5_IO03輸出低電平，那么就應(yīng)該設(shè)置 GPIO5.DR=0x08。

當(dāng) GPIO被配置為輸入模式后，此寄存器就保存著對(duì)應(yīng)IO的電平值，每個(gè)位對(duì)對(duì)應(yīng)一個(gè)GPIO，例如，當(dāng)GPIO5_IO03這個(gè)引腳接地的話，那么 GPIO5.DR 的bit3就是0。

2.2.2 配置GDIR寄存器

GDIR（GPIO direction register），即方向寄存器，也是32位的，用來設(shè)置某個(gè)GPIO的工作方向的，即輸入/輸出。

同樣的，每個(gè)IO對(duì)應(yīng)一個(gè)位，如果要設(shè)置GPIO為輸入，就設(shè)置相應(yīng)的位為0，如果要設(shè)置為輸出，就設(shè)置為 1。

比如要設(shè)置 GPIO5_IO03 為輸出，那么 GPIO5.GDIR=0x00；

2.2.3 配置PSR寄存器

PSR（Pad Status Register），即狀態(tài)寄存器，也是32位的。

注意它是一個(gè)只讀寄存器，每個(gè)IO對(duì)應(yīng)一個(gè)位，讀取相應(yīng)的位即可獲取對(duì)應(yīng)的GPIO的狀(高低電平值)，功能和輸入狀態(tài)下的DR寄存器一樣。

這個(gè)寄存器使用ipg_clk_s時(shí)鐘，這意味著只有在訪問這個(gè)位時(shí)才對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。所以，為了同步訪問這個(gè)寄存器都需要兩個(gè)等待狀態(tài)。

2.2.4 配置ICR1寄存器

ICR1（interrupt configuration register1）和ICR2，都是中斷控制寄存器， ICR1用于配置低16個(gè)GPIO，ICR2 用于配置高16 個(gè)GPIO。

ICR1寄存器中一個(gè)GPIO用兩個(gè)位，這兩個(gè)位用來配置中斷的觸發(fā)方式：

以GPIO1_IO15為例， 若要設(shè)置該引腳為上升沿觸發(fā)中斷， 需要配置為：GPIO1.ICR1=2<<30。

2.2.5 配置ICR2寄存器

ICR1和ICR2（interrupt configuration register2），都是中斷控制寄存器， ICR1用于配置低16個(gè)GPIO，ICR2 用于配置高16 個(gè)GPIO。

若要設(shè)置GPIO1的IO16~31的話就需要設(shè)置ICR2寄存器了，設(shè)置方式參考上面的ICR1。下面這個(gè)圖與ICR1類似，只截取部分顯示。

2.2.6 配置IMR寄存器

IMR（interrupt mask register），即中斷屏蔽寄存器，也是32位，每個(gè)IO對(duì)應(yīng)一個(gè)位。

IMR寄存器用來控制GPIO的中斷禁止和使能，如果使能某個(gè)GPIO的中斷，那么設(shè)置相應(yīng)的位為1即可，反之，如果要禁止中斷，那么就設(shè) 置相應(yīng)的位為0即可。

例如，要使能GPIO1_IO00的中斷，需要配置為GPIO1.MIR=1。

2.2.7 配置ISR寄存器

ISR（interrupt status register），即中斷狀態(tài)寄存器，也是32位，每個(gè)IO對(duì)應(yīng)一個(gè)位。

只要某個(gè)GPIO的中斷發(fā)生，則ISR中相應(yīng)的位就會(huì)被置1。所以通過讀取ISR寄存器來判斷是否發(fā)生了中斷，類似于學(xué)習(xí)STM32用到的中斷標(biāo)志位。

當(dāng)中斷處理完以后，必須清除中斷標(biāo)志位，清除方法就是向ISR中相應(yīng)的位寫1，也就是寫1清零。

為了同步，讀訪問需要兩個(gè)等待狀態(tài)，復(fù)位需要一個(gè)等待狀態(tài)。

2.2.8 配置EDGE_SEL寄存器

EDGE_SEL（edge select register），即邊沿選擇寄存器，也是32位，每個(gè)IO對(duì)應(yīng)一個(gè)位。

它用來設(shè)置邊沿中斷， 并會(huì)覆蓋ICR1和ICR2的設(shè)置。

如果相應(yīng)的位被置1，則相當(dāng)于設(shè)置了對(duì)應(yīng)的GPIO是雙邊沿(上升沿和下降沿)觸發(fā)。例如，設(shè)置GPIO1.EDGE_SEL=1，則表示 GPIO1_IO01是雙邊沿觸發(fā)中斷，無論 GFPIO1_CR1的設(shè)置為多少。

2.3 GPIO各寄存器地址查詢表

上面介紹的有關(guān)GPIO的7種寄存器，為了方便查詢各個(gè)寄存器的地址，這里列出一張表：

2.4 時(shí)鐘配置

與ST32類似，I.MX6ULL每個(gè)外設(shè)都有一個(gè)外設(shè)時(shí)鐘，使用GPIO時(shí)，也必須先使能對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘。

2.4.1 配置CCM寄存器

CCM（Clock Controller Module）時(shí)鐘控制模塊寄存器用來使能外設(shè)時(shí)鐘。 CMM一共有CCM_CCGR0~CCM_CCGR6這 7 個(gè)寄存器，控制著I.MX6U的所有外設(shè)時(shí)鐘開關(guān)。

以CCM_CCGR0為例，它是個(gè)32位寄存器，每2位控制一個(gè)外設(shè)的時(shí)鐘，比如 bit31:30 控制著GPIO2 的外設(shè)時(shí)鐘，兩個(gè)位就有 4 種操作方式：

若要打開GPIO2的外設(shè)時(shí)鐘，只需要設(shè)置CCM_CCGR0的bit31和bit30為1即可，即 CCM_CCGR0=3 << 30。

2.5 配置總結(jié)

使用i.MX6ULL的GPIO時(shí)，需要如下幾步配置：

使能 GPIO 對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘

配置MUX寄存器，設(shè)置IO的復(fù)用功能，使其復(fù)用為GPIO功能

配置PAD寄存器，設(shè)置 IO 的上下拉、速度等

配置GPIO的各種寄存器（DR、GDIR、...），設(shè)置輸入/輸出、是否使用中斷、默認(rèn)輸出電平等

通過上面對(duì)各種寄存器的介紹，現(xiàn)在再來看本篇開頭提到的那幾個(gè)寄存器地址，如果理解了本篇的介紹，應(yīng)該就知道這些地址大概的含義了：

/* 寄存器物理地址 */

#define CCM_CCGR1_BASE              (0X020C406C)    

#define SW_MUX_SNVS_TAMPER3_BASE   (0X02290014)

#define SW_PAD_SNVS_TAMPER3_BASE   (0X02290058)

#define GPIO5_DR_BASE               (0X020AC000)

#define GPIO5_GDIR_BASE             (0X020AC004)

3 總結(jié)

本篇主要介紹了i.MX6ULL有關(guān)GPIO的寄存器配置原理，本篇是i.MX6ULL操作硬件電路的基礎(chǔ)，了解了這些寄存器的配置原理，后續(xù)的LED輸出控制、按鍵輸入控制、IIC、SPI通信控制才能更加容易理解。

審核編輯：湯梓紅