GPIO

Def-what？        

         什么是GPIO？ GPIO（General-Purpose IO ports）即通用IO口。

        在嵌入式系统中常常有数量众多，但是结构却比较简单的外部设备/电路，对这些设备/电路，有的需要CPU为之提供控制手段，有的则需要被CPU用做输入信号。

         而且，许多这样的设备/电路只要求一位，即只要有开/关两种状态就够了，比如控制某个LED灯亮与灭；或者通过获取某个管脚的电平属性来达到判断外围设备的状态。对这些设备/电路的控制，使用传统的串行口或并行口都不合适，所以在微控制器芯片上一般都会提供一个“通用可编程IO接口”，即GPIO。接口至少有两个寄存器，即“通用IO控制寄存器”与“通用IO数据寄存器”。数据寄存器的各位都直接引到芯片外部，而对这种寄存器中每一位的作用，即每一位的信号流通方向，则可以通过控制寄存器中对应位独立地加以设置，比如可以设置某个管脚的属性为输入、输出或其他特殊功能。

          在实际的MCU中，GPIO是有多种形式的。比如，有的数据寄存器可以按照位寻址，有些却不能按照位寻址，这在编程时就要加以区分。比如传统的8051系列，就区分成可位寻址和不可位寻址两种寄存器。另外，为了使用方便，很多MCU的 GPIO接口除去两个标准寄存器必须具备外，还提供上拉寄存器，可以设置IO的输出模式是高阻，还是带上拉的电平输出，或者不带上拉的电平输出。这使得在电路设计中，外围电路就可以简化不少。

     

Usage

All the GPIO pins can be reconfigured to provide alternate functions, SPI,PWM, I²C and so.

GPIOs are used in:

• Devices with pin scarcity: integrated circuits such as system-on-a-chip, embedded and custom hardware, and programmable logic devices (for example,FPGAs)
• Multifunction chips: power managers, audio codecs, and video cards
• Embedded applications (for example, Arduino, BeagleBone, PSoC kits and Raspberry Pi) make heavy use of GPIO for reading from various environmentalsensors (IR,video, temperature, 3-axis orientation, and acceleration), and for writing output toDC motors (via PWM), audio, LCD displays, or LEDs for status.

Capabilities

GPIO capabilities may include:

• GPIO pins can be configured to be input or output
• GPIO pins can be enabled/disabled
• Input values are readable (typically high=1, low=0)
• Output values are writable/readable
• Input values can often be used as IRQs (typically for wakeup events)

      GPIO peripherals vary quite widely. In some cases, they are very simple, a group of pins that can be switched as a group to either input or output. In others, each pin can be set up flexibly to accept or source different logic voltages, with configurabledrive strengths and pull ups/downs. The input and output voltages are typically, though not universally, limited to the supply voltage of the device with the GPIOs on and may be damaged by greater voltages.

      A GPIO pin's state may be exposed to the software developer through one of a number of different interfaces, such as amemory mapped peripheral, or through dedicated IO port instructions.

      Some GPIOs have 5 V tolerant inputs: even when the device has a low supply voltage (such as 2 V), the device can accept 5 V without damage.

How-to-use？

All the GPIO pins can be reconfigured to provide alternate functions, SPI,PWM, I²C and so.

1. 用GPIO模拟SPI协议的实现[转]：

refer：http://www.cnblogs.com/cute/archive/2011/05/17/2048645.html

//begin===================

一、 SPI协议概括

SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI，是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，正是出于这种简单易用的特性，现在越来越多的芯片集成了这种通信协议，比如AT91RM9200.

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。

（1）SDO     – 主设备数据输出，从设备数据输入

（2）SDI      – 主设备数据输入，从设备数据输出

（3）SCLK     – 时钟信号，由主设备产生

（4）CS        – 从设备使能信号，由主设备控制

其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，这里先要知道SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过SDO 线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。

在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

AT91RM9200的SPI接口主要由4个引脚构成：SPICLK、MOSI、MISO及 /SS，其中SPICLK是整个SPI总线的公用时钟，MOSI、MISO作为主机，从机的输入输出的标志，MOSI是主机的输出，从机的输入，MISO 是主机的输入，从机的输出。/SS是从机的标志管脚，在互相通信的两个SPI总线的器件，/SS管脚的电平低的是从机，相反/SS管脚的电平高的是主机。在一个SPI通信系统中，必须有主机。SPI总线可以配置成单主单从，单主多从，互为主从。

SPI的片选可以扩充选择16个外设,这时PCS输出=NPCS,说NPCS0~3接4-16译码器,这个译码器是需要外接4-16译码器，译码器的输入为NPCS0~3，输出用于16个外设的选择。

详细的SPI规范可参考SPI协议。

 

二、 GPIO模拟SPI的实现

   下面将结合本人项目中的经验来详细描述如何用GPIO来模拟SPI协议

项目中要求实现一块LCD为ssd1815br1的驱动，它与BB的通信使用SPI协议，由于BB上SPI总线已使用完， 因此考虑使用GPIO来模拟实现。

GPIO对应SPI引脚的关系如下：

（1）SDO     – GPIO0   （BB到LCD的数据线）

（2）SDI      – 无，因为暂时不需要BB接收来自LCD的数据

（3）SCLK     – GPIO1

（4）CS        – 接地， 使LCD一直处于使能状态。

 

接下来就是要实现SPI的协议了， SPI有4种传输模式：

开发者可根据具体设备使用的是哪种模式来实现之，我们项目种的这块LCD的模式为CPOL=1, CPHA=1.

具体实现如下：

#define SPI_DATA    GPIO0

#define SPI_CLK     GPIO1

void spi_write(char data)

{

   int8 i = 7;

   uint8 mask[] = {0x01, 0x02, 0x04, 0x08, 0x10, 0x20, 0x40, 0x80};

  

   for(; i >= 0; i--) {

   gpio_out(SPI_CLK, GPIO_LOW_VALUE);

   gpio_out(SPI_DATA, ((data & mask[i]) >> i));

  

   spi_delay(10);  

  

   gpio_out(SPI_CLK, GPIO_HIGH_VALUE);

    spi_delay(10);

}

}

实际上模拟SPI是很简单的事情，只要对照SPI传输模式的时序图来模拟就行了。需要注意的是一定要有个等待时间，以使数据在数据线上稳定下来，并使设备端有时间取数据。刚开始调试的时候可以适当把等待时间延长一点，当调通了SPI后在降下等待时间。

   我写的等待时间如下：

   #define spi_delay(delay)   \

   { \

       register uint32 i = 0; \

       while(i < delay) { \

            __asm{ \

                 NOP; \

                 NOP; \

                 NOP; \

                 NOP; \

              }; \

              i -= 4; \

         } \

     }

//end===================

2. 用GPIO模拟pwm协议的实现[转]：

       （1）关于PWM：脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

               PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

               电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

                pwm在LED中的应用：在LED控制中PWM作用于电源部分，脉宽调制的脉冲频率通常大于100Hz，人眼就不会感到闪烁。
       （2）GPIO 模拟PWM（PWM的一个优点是从处理器到 被控系统信号都是数字形式的，无需进行 数模转换！让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。）：

       在树莓派上，可以通过对GPIO的编程来实现PWM。

创建一个 PWM 实例：

p = GPIO.PWM(channel, frequency)

启用 PWM：

p.start(dc)   # dc 代表占空比（范围：0.0 <= dc >= 100.0）

更改频率：

p.ChangeFrequency(freq)   # freq 为设置的新频率，单位为 Hz

更改占空比：

p.ChangeDutyCycle(dc)  # 范围：0.0 <= dc >= 100.0

停止 PWM：

p.stop()

注意，如果实例中的变量“p”超出范围，也会导致 PWM 停止。

以下为使 LED 每两秒钟闪烁一次的示例：

import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)
GPIO.setup( 12 , GPIO.OUT)

p = GPIO.PWM( 12 , 0.5 )
p.start( 1 )
input ( '点击回车停止：' )   # 在 Python 2 中需要使用 raw_input
p.stop()
GPIO.cleanup()

以下为使 LED 在亮/暗之间切换的示例：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

import time import RPi.GPIO as GPIO GPIO.setmode(GPIO.BOARD) GPIO.setup( 12 , GPIO.OUT) p = GPIO.PWM( 12 , 50 ) # 通道为 12 频率为 50Hz p.start( 0 ) try : while 1 : for dc in range ( 0 , 101 , 5 ): p.ChangeDutyCycle(dc) time.sleep( 0.1 ) for dc in range ( 100 , - 1 , - 5 ): p.ChangeDutyCycle(dc) time.sleep( 0.1 ) except KeyboardInterrupt: pass p.stop() GPIO.cleanup()

3. 用GPIO模拟i2c协议的实现[转]：

refer：http://www.cnblogs.com/aceheart/articles/3307477.html

refer：http://blog.csdn.net/zhenwenxian/article/details/8466886

（1）I2C总线的通信过程(见图4-8)主要包含三个主要阶段：起始阶段、数据传输阶段和终止阶段。

1. 起始阶段

在I2C总线不工作的情况下，SDA(数据线)和SCL(时钟线)上的信号均为高电平。如果此时主机需要发起新的通信请求，那么需要首先通过SDA和SCL发出起始标志。当SCL为高电平时，SDA电平从高变低，这一变化表示完成了通信的起始条件。

在起始条件和数据通信之间，通常会有延时要求，具体的指标会在设备厂商的规格说明书中给出。

2. 数据传输阶段

I2C总线的数据通信是以字节(8位)作为基本单位在SDA上进行串行传输的。一个字节的传输需要9个时钟周期。其中，字节中每一位的传输都需要一个时钟周期，当新的SCL到来时，SCL为低电平，此时数据发送方根据当前传输的数据位控制SDA的电平信号。如果传输的数据位为"1"，就将SDA电平拉高；如果传输的数据位为"0"，就将SDA的电平拉低。当SDA上的数据准备好之后，SCL由低变高，此时数据接收方将会在下一次SCL信号变低之前完成数据的接收。当8位数据发送完成后，数据接收方需要一个时钟周期以使用SDA发送ACK信号，表明数据是否接收成功。当ACK信号为"0"时，说明接收成功；为"1"时，说明接收失败。每个字节的传输都是由高位(MSB)到低位(LSB)依次进行传输。

I2C总线协议中规定，数据通信的第一个字节必须由主机发出，内容为此次通信的目标设备地址和数据通信的方向(读/写)。在这个字节中，第1～7位为目标设备地址，第0位为通信方向，当第0位为"1"时表示读，即后续的数据由目标设备发出主机进行接收；当第0位为"0"时表示写，即后续的数据由主机发出目标设备进行接收。在数据通信过程中，总是由数据接收方发出ACK信号。

3. 终止阶段

当主机完成数据通信，并终止本次传输时会发出终止信号。当SCL 是高电平时，SDA电平由低变高，这个变化意味着传输终止。

下面给出了模拟I2C总线进行读写的伪代码，用以说明如何使用GPIO实现I2C通信：

#define SDA 254                         //定义SDA所对应的GPIO接口编号  
#define SCL 255                         //定义SCL所对应的GPIO接口编号  
#define OUTP 1                          //表示GPIO接口方向为输出  
#define INP 0                           //表示GPIO接口方向为输入  
/* I2C起始条件 */  
int i2c_start()  
{  
//初始化GPIO口  
set_gpio_direction(SDA, OUTP);          //设置SDA方向为输出  
set_gpio_direction (SCL, OUTP);         //设置SCL方向为输出  
         set_gpio_value(SDA, 1);                //设置SDA为高电平  
set_gpio_value(SCL, 1);                 //设置SCL为高电平  
delay();                            //延时  
//起始条件  
set_gpio_value(SDA, 0);                 //SCL为高电平时，SDA由高变低  
delay();  
}  
/* I2C终止条件 */  
void i2c_stop()  
{  
set_gpio_value(SCL, 1);  
set_gpio_direction(SDA, OUTP);  
set_gpio_value(SDA, 0);  
delay();  
set_gpio_value(SDA, 1);             //SCL高电平时，SDA由低变高  
}  
/*   
I2C读取ACK信号(写数据时使用)  
返回值 ：0表示ACK信号有效；非0表示ACK信号无效  
*/  
unsigned char i2c_read_ack()  
{  
unsigned char r;  
set_gpio_direction(SDA, INP);           //设置SDA方向为输入  
set_gpio_value(SCL,0);              // SCL变低  
r = get_gpio_value(SDA);                //读取ACK信号  
delay();  
set_gpio_value(SCL,1);              // SCL变高  
delay();  
return r;  
}  
/* I2C发出ACK信号(读数据时使用) */  
int i2c_send_ack()  
{  
set_gpio_direction(SDA, OUTP);          //设置SDA方向为输出  
set_gpio_value(SCL,0);              // SCL变低  
set_gpio_value(SDA, 0);             //发出ACK信号  
delay();  
set_gpio_value(SCL,1);              // SCL变高  
delay();  
}  
/* I2C字节写 */  
void i2c_write_byte(unsigned char b)  
{  
int i;  
set_gpio_direction(SDA, OUTP);          //设置SDA方向为输出  
for (i=7; i>=0; i--) {  
set_gpio_value(SCL, 0);             // SCL变低  
delay();  
set_gpio_value(SDA, b & (1<//从高位到低位依次准备数据进行发送  
set_gpio_value(SCL, 1);             // SCL变高  
delay();  
}  
i2c_read_ack();                 //检查目标设备的ACK信号  
}  
/* I2C字节读 */  
unsigned char i2c_read_byte()  
{  
int i;  
unsigned char r = 0;  
set_gpio_direction(SDA, INP);           //设置SDA方向为输入  
for (i=7; i>=0; i--) {  
set_gpio_value(SCL, 0);         // SCL变低  
delay();  
r = (r <<1) | get_gpio_value(SDA);      //从高位到低位依次准备数据进行读取  
set_gpio_value(SCL, 1);         // SCL变高  
delay();  
}  
i2c_send_ack();                 //向目标设备发送ACK信号  
return r;  
}  
/*  
I2C读操作  
addr：目标设备地址  
buf：读缓冲区  
len：读入字节的长度  
*/  
void i2c_read(unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)  
{  
int i;  
unsigned char t;  
i2c_start();                        //起始条件，开始数据通信  
//发送地址和数据读写方向  
t = (addr << 1) | 1;                    //低位为1，表示读数据  
i2c_write_byte(t);  
//读入数据  
for (i=0; i)  
buf[i] = i2c_read_byte();  
i2c_stop();                     //终止条件，结束数据通信  
}  
/*  
I2C写操作  
addr：目标设备地址  
buf：写缓冲区  
len：写入字节的长度  
*/  
void i2c_write (unsigned char addr, unsigned char* buf, int len)  
{  
int i;  
unsigned char t;  
i2c_start();                        //起始条件，开始数据通信  
//发送地址和数据读写方向  
t = (addr << 1) | 0;                    //低位为0，表示写数据  
i2c_write_byte(t);  
//写入数据  
for (i=0; i)  
i2c_write_byte(buf[i]);  
i2c_stop();                     //终止条件，结束数据通信  
}  

（2）I2C总线的通信过程GPIO模拟I2C程序实现

        I2C是由Philips公司发明的一种串行数据通信协议，仅使用两根信号线：SerialClock（简称SCL）和SerialData（简称SDA）。I2C是总线结构，1个Master，1个或多个Slave，各Slave设备以7位地址区分，地址后面再跟1位读写位，表示读（=1）或者写（=0），所以我们有时也可看到8位形式的设备地址，此时每个设备有读、写两个地址，高7位地址其实是相同的。
       I2C数据格式如下：
无数据：SCL=1，SDA=1；
开始位（Start）：当SCL=1时，SDA由1向0跳变；
停止位（Stop）：当SCL=1时，SDA由0向1跳变；
数据位：当SCL由0向1跳变时，由发送方控制SDA，此时SDA为有效数据，不可随意改变SDA；

当SCL保持为0时，SDA上的数据可随意改变；
地址位：定义同数据位，但只由Master发给Slave；
应答位（ACK）：当发送方传送完8位时，发送方释放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=0；
否应答位（NACK）：当发送方传送完8位时，发送方释放SDA，由接收方控制SDA，且SDA=1。

当数据为单字节传送时，格式为：
开始位，8位地址位（含1位读写位），应答，8位数据，应答，停止位。
当数据为一串字节传送时，格式为：
开始位，8位地址位（含1位读写位），应答，8位数据，应答，8位数据，应答，……，8位数据，应答，停止位。

     需要注意的是：
1，SCL一直由Master控制，SDA依照数据传送的方向，读数据时由Slave控制SDA，写数据时由Master控制SDA。当8位数据传送完毕之后，应答位或者否应答位的SDA控制权与数据位传送时相反。
2，开始位“Start”和停止位“Stop”，只能由Master来发出。
3，地址的8位传送完毕后，成功配置地址的Slave设备必须发送“ACK”。否则否则一定时间之后Master视为超时，将放弃数据传送，发送“Stop”。
4，当写数据的时候，Master每发送完8个数据位，Slave设备如果还有空间接受下一个字节应该回答“ACK”，Slave设备如果没有空间接受更多的字节应该回答“NACK”，Master当收到“NACK”或者一定时间之后没收到任何数据将视为超时，此时Master放弃数据传送，发送“Stop”。
5，当读数据的时候，Slave设备每发送完8个数据位，如果Master希望继续读下一个字节，Master应该回答“ACK”以提示Slave准备下一个数据，如果Master不希望读取更多字节，Master应该回答“NACK”以提示Slave设备准备接收Stop信号。
6，当Master速度过快Slave端来不及处理时，Slave设备可以拉低SCL不放（SCL=0将发生“线与”）以阻止Master发送更多的数据。此时Master将视情况减慢或结束数据传送。

7,I²C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收据定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。 总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。
       在实际应用中，并没有强制规定数据接收方必须对于发送的8位数据做出回应，尤其是在Master和Slave端都是用GPIO软件模拟的方法来实现的情况下，编程者可以事先约定数据传送的长度，不发送ACK，有时可以起到减少系统开销的效果。