GPIO编程原理

FROM：http://blog.csdn.net/dragonliabc/article/details/5537230
一、什么是GPIO 
    首先应该理解什么是GPIO。GPIO，英文全称为General-Purpose IO ports，也就是通用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用作输入信号。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，比如灯亮与灭。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的加以设置。这样，有无GPIO接口也就成为微控制器区别于微处理器的一个特征。
   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，这在编程时就要区分了。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，为了使用的方便，很多mcu把glue logic等集成到芯片内部，增强了系统的稳定性能，比如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。这在电路设计中，外围电路就可以简化不少。明白了这个道理，不同的MCU，提供的GPIO口的数目不同，可选择的glue logic也不同。所以，在了解共性的基础上去了解个性。 另外需要注意的是，对于不同的计算机体系结构，设备可能是端口映射，也可能是内存映射的。如果系统结构支持独立的IO地址空间，并且是端口映射，就必须使用汇编语言完成实际对设备的控制，因为C语言并没有提供真正的“端口”的概念。如果是内存映射，那就方便的多了。举个例子，比如像寄存器A（地址假定为 0x48000000）写入数据0x01，那么就可以这样设置了。#define A (*(volatile unsigned long *)0x48000000) ... A = 0x01; ... 这实际上就是内存映射机制的方便性了。其中volatile关键字是嵌入式系统开发的一个重要特点。这个就不再这里总结了。上述表达式拆开来分析，首先 (volatile unsigned long *)0x48000000的意思是把0x48000000强制转换成volatile unsigned long类型的指针，暂记为p，那么就是#define A *p，即A为P指针指向位置的内容了。这里就是通过内存寻址访问到寄存器A，可以读/写操作。
二、S3C2410的GPIO的特点 
首先看看introduction。
· 117-bit general purpose I/O ports / 24-ch external interrupt source 
可见，s3c2410的GPIO有117pin，下面应该到9 IO ports看看详细部分了。
The S3C2410X has 117 multi-functional input/output port pins. The ports are: 
— Port A (GPA): 23-output port 
— Port B (GPB): 11-input/output port 
— Port C (GPC): 16-input/output port 
— Port D (GPD): 16-input/output port 
— Port E (GPE): 16-input/output port 
— Port F (GPF):  8-input/output port 
— Port G (GPG): 16-input/output port 
— Port H (GPH): 11-input/output port 
这么多的IO口，其实很多是复合功能的，既可以作为普通的IO口使用，也可以作为特殊外设接口。在程序设计时，要对整体的资源有所规划，初始化时就应该把 所有资源安排合理。这样才会避免出现问题。当然，仅仅做一个最简单的led灯实验，倒是省去了很多步骤。
   现在的8个端口，其寄存器是相似的。除了两个通用寄存器GPxCON、GPxDAT外，还提供了GPxUP用于确定是否使用内部上拉电阻（其中x为A- H，需要注意的是没有GPAUP）。
应用的主要步骤就是：
 ·设置GPIO控制寄存器GPxCON 
 ·设置GPIO上拉寄存器GPxUP 
  初始化完成后，就可以通过对GPxDAT的操作来实现相应的应用了。其中，PORT A与PORT B-H在功能选择方面有所不同，GPACON的每一位对应一根引脚（共23pin有效）。当某位设为0，相应引脚为输出引脚，此时往GPADAT中写0/1，可以让引脚输出低电平/高电平；当某位设为1，则相应引脚为地址线，或者用于地址控制，此时GPADAT没有用了。一般而言，GPACON通常全设为1，以便访问外部存储器件。PORT B-H在寄存器操作方面完全相同。GPxCON中每两位控制一根引脚：00表示输入，01表示输出，10表示特殊功能，11保留。GPxDAT用于读/写引脚：当引脚设为输入时，读此寄存器可知相应引脚状态是高/低；当引脚设为输出时，写此寄存器相应位可以使相应引脚输出低电平或高电平。GPxUP：某位设为0，相应引脚无内部上拉；为1，相应引脚使用内部上拉。关于特殊功能，那就得结合特殊外设来进行设置了。 这算是最简单的部分。
完成一个led灯实验，可以用来做后续实验的调试手段。
基本实验一：LED灯循环点亮 
    在EDUKIT-III实验箱上，有四个LED灯，与IO口的对应关系为GPF[7:4]----LED[4:1]。当IO引脚输出为低电平的时候，LED灯被点亮。只需要关注三个寄存器GPFCON、GPFDAT、GPFUP。由于硬件电路的关系，设置上拉电阻与否并不影响LED灯的点亮，所以GPFUP可以不必考虑。剩下的就是GPFCON和GPFDAT。 我参考了《S3C2410完全开发》和vivi源代码，对前者的源代码进行了完善和修正，形成了两个版本。版本1是采用ARM汇编语言完成，版本2采用C 语言完成。版本1练习了宏定义函数，子程序等，相对而言比较简单。版本2重点练习了软件架构，虽然短小，但是仍然模仿了vivi的软件架构。只是没有必要写复杂的Makefile，所以只写了比较简单的Makefile。在编写过程中，发现自己对ld，objcopy，和一些细节没有很好的把握，经过查看 资料，已经基本掌握，后续工作需要就这些工具进行深入的学习，目标是能够熟练掌握。

ARM汇编版本：
 （1）我采用了延时子程序，但是上电复位后，WDT默认是打开的。所以在程序的开始要禁用WDT。
 （2）关于ARM的跳转指令B、BL、BX要区分开。B一般用于本段内的指令跳转，而BL用于子程序调用，BX用于ARM和THUMB状态的切换。特别地 说，BL指令会将下一条指令的地址拷贝到LR中，然后跳转到指定的地址运行程序。所以，子程序调用的模型为： bl delay ...delay: ... mov pc, lr 明确了这两条，程序就不难理解了。源代码见上传的附件。
C语言版本：
 （1）软件架构仿照了vivi，也可以说是Linux Kernel。当然，仅仅写这么小的程序用不到这么麻烦，但是可以训练这种架构，为写中型大型程序打好基础。
 （2）注意C语言下实现寄存器读写的(*(volatile unsigned long *)(addr))。其实就是要掌握volatile和指针的用法，明白在嵌入式环境中，为什么要这样操作。
 （3）写c时，要注意头文件如何处理。写Makefile时，要注意是否采用隐含规则，如果不采用，就要自己定义明确规则，就像vivi里面的 Rules.make。在这里，因为只是涉及到.s的编译不采用隐含规则，所以没有把Rules.make单独拿出，事实上可以单独写为 Rules.make，然后在Makefile后加入include Rules.make就可以了。
 （4）要调用C子程序，必须分配堆栈空间。因为子程序调用时，要进行入栈出栈处理。又因为从nand flash启动，而nand flash在S3C2410下的特点规定堆栈不能超过4K。 经过测试，两个程序都可以很好的运行。
四个灯循环点亮^_^
基本实验二：蜂鸣器 
这个实验比较简单，本来《S3C2410完全开发》下个实验是IO ports，用按键控制灯亮灭，但是我的开发板没有相应的硬件功能部分。所以就以buzzer实验代替。 这里应该弄清楚蜂鸣器的工作原理，并且知道硬件电路应该怎么设计。
从百度上搜索了一篇文章，讲解得比较清晰。
网址如下： http://www.ourmpu.com/mcujx/fmqsy.htm
【整理部分资料放在这里： 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件；蜂鸣 器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V直流工作 电压），多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁 线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 电磁式蜂鸣器驱动原理 蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的 TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。
S51增强型单片机实验板通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器，原理图见下图： 如图所示，蜂鸣器的正极接到VCC（＋5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P3.7引脚控 制，当P3.7输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.7输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声 音。因此，我们可以通过程序控制P3.7脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。程序中改变单片机P3.7引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产 生各种不同音色、音调的声音。另外，改变P3.7输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过编程实验来验证。】