樹莓派Pico如何使用PIO程序呢？

在這篇教程中，我們看到的代碼看起來與其他的部分的代碼非常不同。那是因為我們大多數(shù)時候不得不在 MCU 的底層處理事情。大多數(shù)時候，MicroPython 可以隱藏很多在微控制器上工作的復(fù)雜性。
當(dāng)我們 print(“hello”) 的時候，我們不必擔(dān)心微控制器存儲字母的方式，或它們被發(fā)送到串行終端的格式，或串行終端所接受的時鐘周期的數(shù)量。這些都是在后臺處理的。然而，當(dāng)我們進入可編程輸入和輸出時（PIO），我們需要在更低的層次上處理這些邏輯。

我們將簡要介紹 PIO，并介紹一些高級主題，以便你了解正在發(fā)生的事情，并希望了解 Pico 上的 PIO 相對于其他微控制器是如何突顯優(yōu)勢的。但是，理解創(chuàng)建 PIO 程序所需的所有低級數(shù)據(jù)操作需要花時間來完全理解，所以如果它看起來有點不透明也不用擔(dān)心。如果你對處理這種低級編程感興趣，那么我們將幫助你入門。如果你更感興趣的是在更高的層次上工作，而寧愿把低層次的爭論留給其他人，我們將向你展示如何使用 PIO 程序。

數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出

樹莓派 Pico 不僅支持 SPI 和 I2C 控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。它還有自己的特殊協(xié)議：可編程 IO。讓我們看一個例子：

from rp2 import PIO, StateMachine, asm_pio
from machine import Pin
import time


@asm_pio(set_init=PIO.OUT_LOW)
def led_quarter_brightness():
  set(pins, 0)[2]
  set(pins, 1)


@asm_pio(set_init=PIO.OUT_LOW)
def led_half_brightness():
  set(pins, 0)
  set(pins, 1)


@asm_pio(set_init=PIO.OUT_HIGH)
def led_full_brightness():
  set(pins, 1)


sm1 = StateMachine(1, led_quarter_brightness, freq=10000, set_base=Pin(25))
sm2 = StateMachine(2, led_half_brightness, freq=10000, set_base=Pin(25))
sm3 = StateMachine(3, led_full_brightness, freq=10000, set_base=Pin(25))


while(True):
  sm1.active(1)
  time.sleep(1)
  sm1.active(0)
  sm2.active(1)
  time.sleep(1)
  sm2.active(0)
  sm3.active(1)
  time.sleep(1)
  sm3.active(0)

這些方法實際上是運行在 PIO 狀態(tài)機上的小程序，且在不斷循環(huán)。例如，led_half_brightness() 會不斷地打開和關(guān)閉 LED，這樣 LED 就會有一半的時間是關(guān)閉的，一半的時間是打開的。led_full_brightness() 將類似地循環(huán)，但由于惟一的指令是打開 LED，這實際上并沒有改變?nèi)魏螙|西。

這里稍微有點不尋常的是 led_quarter_brightness()。每個 PIO 指令只需要運行一個時鐘周期（可以通過設(shè)置頻率來更改時鐘周期的長度，稍后我們將看到)。但是，我們可以在一條指令之后用方括號添加一個 1 到 31 之間的數(shù)字，來告訴 PIO 狀態(tài)機在運行下一條指令之前暫停這個時鐘周期。

然后，在 led_quarter_brightness() 中，兩個 set 指令每個使用一個時鐘周期，延遲使用兩個時鐘周期，因此總循環(huán)使用四個時鐘周期。在第一行中，set 指令需要一個周期，延遲需要兩個周期，所以 GPIO 管腳在這四個周期中的三個是關(guān)閉的。這使得 LED 的亮度達到了持續(xù)亮燈的四分之一。

一旦設(shè)定了 PIO 程序，Pico 就需要將其加載到狀態(tài)機中。因為我們有三個程序，所以需要將它們加載到三個狀態(tài)機中（有 8 個狀態(tài)機可以使用，編號為 0-7）。這可以用下面一行來實現(xiàn)：

sm1 = StateMachine(1, led_quarter_brightness, freq=10000, set_base=Pin(25))

參數(shù)如下:
– 狀態(tài)機器編號
– PIO 程序加載
– 頻率（必須在 2000 到 125000000 之間）
– 狀態(tài)機器操縱的 GPIO 引腳

還有一些額外的參數(shù)，你會在其他程序中看到，我們這里不需要。一旦創(chuàng)建了狀態(tài)機，就可以使用 active 方法啟動和停止?fàn)顟B(tài)機，1 表示啟動，0 表示停止。

在我們的循環(huán)中，我們循環(huán)三個不同的狀態(tài)機。

一個真實的例子

讓我們通過一個實際示例來看看使用 PIO 的方法。WS2812B LED 燈條是一種包含三個 LED（一個紅色、一個綠色、一個藍色）和一個小型微控制器的燈組。它們由一根數(shù)據(jù)線控制，帶有計時相關(guān)協(xié)議。
LED 的接線很簡單，可能有一個插座，可以把頭部電線推進去，或者你可能需要自己焊接它們。

你需要注意的是從 Pico 上的 5V 引腳獲得的功率是有限的，如果無限擴展這個燈條，則需要額外給燈條供電。

現(xiàn)在我們已經(jīng)把燈條和 Pico 連接好了，讓我們看看如何用 PIO 來控制它：

import array, time
from machine import Pin
import rp2
from rp2 import PIO, StateMachine, asm_pio


# Configure the number of WS2812 LEDs.
NUM_LEDS = 10


@asm_pio(sideset_init=PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=PIO.SHIFT_LEFT, autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():
  T1 = 2
  T2 = 5
  T3 = 3
  label("bitloop")
  out(x, 1).side(0)[T3 - 1]
  jmp(not_x, "do_zero").side(1)[T1 - 1]
  jmp("bitloop").side(1)[T2 - 1]
  label("do_zero").side(0)[T2 - 1]
  nop()


# Create the StateMachine with the ws2812 program, outputting on Pin(22).
sm = StateMachine(0, ws2812, freq=8000000, sideset_base=Pin(0))


# Start the StateMachine, it will wait for data on its FIFO.
sm.active(1)

它的基本邏輯是每秒發(fā)送 800,000 位數(shù)據(jù)（注意頻率是 8000000，程序的每個周期是 10 個時鐘周期）。每一位數(shù)據(jù)都是一個脈沖——一個短脈沖表示 0，一個長脈沖表示 1。這個程序和我們之前的 程序之間的一個很大的區(qū)別是，MicroPython 需要能夠向這個程序發(fā)送數(shù)據(jù) PIO 的程序。

數(shù)據(jù)進入狀態(tài)機有兩個階段。第一個是稱為先進先出（FIFO）的內(nèi)存。這是我們的主 Python 程序發(fā)送數(shù)據(jù)到的地方。第二個是輸出移位寄存器（OSR）。這就是 out() 指令獲取數(shù)據(jù)的地方。兩者通過拉指令連接，拉指令從 FIFO 獲取數(shù)據(jù)并將其放在 OSR 中。然而，由于我們的程序設(shè)置了啟用 autopull 的閾值為 24，所以每次我們從 OSR 讀取 24 位時，它將從 FIFO 重新加載指令 out(x,1) 從 OSR 中獲取一位數(shù)據(jù)，并將其放入名為 x 的變量中（PIO 中只有兩個可用變量：x 和 y）。

jmp 指令告訴代碼直接移動到特定的標(biāo)簽，但是它可以有一個條件。指令 jmp(not_x，”do_zero”) 告訴代碼，如果 x 的值為 0(或者，在邏輯術(shù)語中，如果 not_x 為真，并且 not_x 是 x 的 反面——在 pio 級別中，0 為假，任何其他數(shù)字為真)，則移動到 do_zero。

這里我們一直忽略的一個方面是 .side() 位。它們與 set() 類似，但它們與另一條指令同時發(fā)生。這意味著 out(x,1) 發(fā)生時，.side(0) 設(shè)置側(cè)集引腳的值為 0。

哇，對于這么小的一個程序來說，這實在是太多了?，F(xiàn)在我們已經(jīng)激活了它，讓我們看看如何使用它。下面的代碼需要在程序中位于上述代碼之下，以便將數(shù)據(jù)發(fā)送到 PIO 程序。

# Display a pattern on the LEDs via an array of LED RGB values.
ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])


print("blue")
for j in range(0, 255):
  for i in range(NUM_LEDS):
    ar[i] = j
  sm.put(ar,8)
  time.sleep_ms(100)


print("red")
for j in range(0, 255):
  for i in range(NUM_LEDS):
    ar[i] = j<<8
  sm.put(ar,8)
  time.sleep_ms(100)


print("green")


for j in range(0, 255):
  for i in range(NUM_LEDS):
    ar[i] = j<<16
  sm.put(ar,8)
  time.sleep_ms(100)


print("white")
for j in range(0, 255):
  for i in range(NUM_LEDS):
    ar[i]=j<<16+j<<8+j
  sm.put(ar,8)
  time.sleep_ms(100)

在這里，我們跟蹤一個名為 ar 的數(shù)組，它保存了我們希望 LED 擁有的數(shù)據(jù)。數(shù)組中的每個數(shù)字都包含了一盞燈上所有三種顏色的數(shù)據(jù)。格式有點奇怪，因為它是二進制的。使用 PIO 的一個問題是，你經(jīng)常需要處理單個數(shù)據(jù)位。每一位數(shù)據(jù) 都是 1 或 0，數(shù)字可以通過這種方式建立，所以以 10 為基數(shù)的 2 就是二進制的 10。以 10 為基數(shù)的 3 在二進制中等于 11。二進制數(shù)的 8 位中最大的數(shù)是 11111111，或者以 10 為基數(shù)的 255。我們不會在這里深入討論二進制。讓人更困惑的是，我們實際上把三個數(shù)字存儲在一個數(shù)字中。這是因為在 MicroPython 中，整數(shù)存儲在 32 位，但每個數(shù)字只需要 8 位。最后還有一點空閑空間，因為我們只需要 24 位，不過沒關(guān)系。

前八位是藍色，后八位是紅色，最后八位是綠色。8 位最多可以存儲 255 個數(shù)字，所以每個 LED 都有 255 個亮度級別。我們可以使用移位運算符 << 來實現(xiàn)這一點。這將在一個數(shù)字的末尾加上一 定數(shù)量的 0，所以如果我們想讓 LED 的紅色、綠色和藍色亮度達到 1 級，我們將每個值都設(shè)為 1，然后將它們移動到合適的位數(shù)。對于綠色，我們有：

1 << 16 = 10000000000000000

對于紅色，我們有：

1 << 8 = 100000000

對于藍色，我們根本不需要移位位，所以我們只有 1。如果我們把所有這些加在一起， 我們得到以下（如果我們把前面的位加起來，得到一個 24 位的數(shù)）：

000000010000000100000001

最右邊的八位是藍色的，接下來的八位是紅色的，最左邊的八位是綠色的。最后一點可能看起來有點令人困惑的是這行：

ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])

這創(chuàng)建了一個數(shù)組，第一個值是 I，然后每個 LED 都是 0。在開頭有一個I的原因是它告訴 MicroPython 我們使用的是一系列 32 位的值。但是，對于每個值，我們只需要將 24 位發(fā)送給 PIO，所以我們告訴 put 命令刪除 8 位：

sm.put(ar,8)

相關(guān)說明

PIO 狀態(tài)機使用的語言非常簡潔，所以只有少量的指令。除了我們已經(jīng)看過的，你還可以使用：
in()：移動 1 到 32 位到狀態(tài)機）與out()類似，但相反）。
push()：將數(shù)據(jù)發(fā)送到連接狀態(tài)機和主存的內(nèi)存中 MicroPython 程序。
pull()：從連接狀態(tài)機和主存的內(nèi)存塊中獲取數(shù)據(jù) MicroPython 程序。這里我們沒有使用它，因為通過在程序中包含 autopull=True，當(dāng)我們使用 out() 時，會自動發(fā)生這種情況。
mov()：在兩個位置之間移動數(shù)據(jù)（例如 x 和 y 變量）。
irq()：控制中斷。如果你需要觸發(fā)一個特定的東西以在程序的 MicroPython 端運行，就可以使用這些。
wait()：暫停直到發(fā)生一些事情（例如 IO pin 更改了一個設(shè)定值或中斷發(fā)生）。

雖然只有少量的指令，但可以實現(xiàn)大量的通信協(xié)議。大多數(shù)指令都是用于以某種形式移動數(shù)據(jù)。如果你需要以任何特定的方式準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，例如操縱你希望 LED 的顏色，這應(yīng)該在你的主 MicroPython 程序中完成，而不是在 PIO 程序中。

審核編輯：劉清