嵌入式学习之GPIO接口详解
一、什么是gpio
gpio----“通用目的输入/输出端口”----是一个灵活的软件控制的数字信号。许多种类的芯片都会提供，嵌入式linux开发者和硬件定制者会对此比较熟悉。每个gpio提供一位与特定的管脚（或是“球”，bga（ballgridarray）封装下）相连。单板电路图会显示外部硬件与gpios的连接关系。gpio驱动可写成通用的，便于单板setup代码可以将这些管脚配置数据传递给驱动。
soc处理器非常依赖于gpio。某些情况下，普通管脚可以被配置为gpio。大多数芯片至少拥有几组类似的gpio。可编程逻辑器件（如fpgas）可以很容易提供gpio。一些多功能芯片，如电源管理、声音解码等经常具有一些这样的管脚来弥补soc芯片上面管脚的不足。同样，也存在一些gpio扩展芯片，连接用于i2c或是spi串行总线。多数pc南桥拥有几组gpio兼容的管脚（仅有bios固件知道如何使用它们）。
不同系统间的gpio的确切作用不同。通用常有下面几种：
----输出值可写（高=1，低=0）。一些芯片也可以选择驱动这些值的方式，以便支持“线-或”或类似方案（开漏信号线）。
----输入值可读（1，0）。一些芯片支持输出管脚回读，这在线或的情况下非常有用（以支持双向信号线）。gpio控制器可能具有一个输入防故障/防反跳逻辑，有时还会有软件控制。
----输入经常被用作中断信号，通常是边沿触发，但也有可能是电平触发。这些中断可以配置为系统唤醒事件，从而将系统从低功耗模式唤醒。
----一个gpio经常被配置为输入/输出双向，根据不同的产品单板需求，但也存在单向的情况。
----大多是gpio可以在获取到spinlock自旋锁时访问，但那些通过串行总线访问的通常不能如此操作（休眠的原因）。一些系统中会同时存在这两种形式的gpio。
----在一个给定单板上，每个gpio用于一个特定的目的，如监控mmc/sd卡的插入/移除，检查卡写保护状态，驱动led，配置发送器，串行总线位拆，触发一个硬件看门狗，触发一个开关之类的。
二、gpio的优点（端口扩展器） 低功耗：gpio具有更低的功率损耗（大约1μa，μc的工作电流则为100μa）。
集成iic从机接口：gpio内置iic从机接口，即使在待机模式下也能够全速工作。
小封装：gpio器件提供最小的封装尺寸 ― 3mm x 3mm qfn！
低成本：您不用为没有使用的功能买单。
快速上市：不需要编写额外的代码、文档，不需要任何维护工作。
灵活的灯光控制：内置多路高分辨率的pwm输出。
可预先确定响应时间：缩短或确定外部事件与中断之间的响应时间。
更好的灯光效果：匹配的电流输出确保均匀的显示亮度。
布线简单：仅需使用2条就可以组成iic总线或3条组成spi总线。
与arm 的几组gpio引脚，功能相似，gpxcon 控制引脚功能，gpxdat用于读写引脚数据。另外，gpxup用于确定是否使用上拉电阻。 x为a，b，，h/j，
gpaup没有上拉电阻。
三、gpio硬件介绍 1. 通过寄存器来操作gpio引脚 gpxcon用于选择引脚功能，gpxdat用于读/写引脚数据；另外，gpxup用于确定是否使用内部上拉电阻。x为b、。。.、 h/j，没有gpaup寄存器。
1.1 gpxcon寄存器
从寄存器的名字可以看出，它用于配置（configure）-选择引脚功能。
porta与portb~port h/j在功能选择方面有所不同，gpacon中每一位对应一根引脚（共23根引脚）。当某位被设为0时，相应引脚为输出引脚，此时我们可以在gpadat 中相应位写入0或是1让此引脚为低电平或高电平；当某位被设为1时，相应引脚为地址线或用于地址控制，此时gpadat无用。一般而言，gpacon通常 被设为全1，以便访问外部存储器件。
port b~ port h/j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保留不用。
1.2 gpxdat寄存器
gpxdat用于读/写引脚；当引脚被设为输入时，读此寄存器可知相应引脚的电平状态是高还是低；当引脚被设为输出时，写此寄存器相应位可以令此引脚输出高电平或是低电平。
1.3 gpxup寄存器
gpxup：某位为1时，相应引脚无内部上拉电阻；为0时，相应引脚使用内部上拉电阻。
上拉电阻的作用在于：当gpio引脚处于第三态（即不是输出高电平，也不是输出低电平，而是呈高阻态，即相当于没接芯片）时，它的电平状态由上拉电阻、下拉电阻确定。
2、访问硬件 2.1 访问单个引脚
单个引脚的操作无外乎3种：输出高低电平、检测引脚状态、中断。对某个引脚的操作一般通过读、写寄存器来完成。
访问这些寄存器是通过软件来读写它们的地址。比如：s3c2410和s3c2440的gpbcon、gpbdat寄存器地址都是0x56000010、0x56000014，可以通过如下的指令让gpb5输出低电平。
#define gpbcon （*volatile unsigned long *）0x56000010） //long=int 4字节；char 1字节；short 2字节
#define gpbdat （*volatile unsigned long *）0x56000014）
#define gpb5_out （1《《（582））
gpbcon = gpb5_out;
gpbdat &= ~（1《《5）;
2.2 以总线方式访问硬件
并非只能通过寄存器才能发出硬件信号，实际上通过访问总线的方式控制硬件更为常见。如下图所示s3c2410/s3c2440与nor flash的连线图，读写操作都是16位为单位。
图中缓冲器的作用是以提搞驱动能力、隔离前后级信号。nor flash（am29lv800bb）的片选信号使用ngcs0信号，当cpu发出的地址信号处于0x00000000~0x07ffffff之间 时，ngcs0信号有效（为低电平），于是nor flash被选中。这时，cpu发出的地址信号传到nor flash；进行写操作时，nwe信号为低，数据信号从cpu发给nor flash；进行读操作时，nwe信号为高，数据信号从nor flash发给cpu。
addr1~addr20 ------------------》 》--------------------a0~a19
data0~data15 《-----------------》 《-------------------》d0~d15
noe ------------------》 --------------------》noe
nwe ------------------》 --------------------》nwe
ngcs0 ------------------》 --------------------》nce
s3c2410/s3c2440 缓冲器 nor flash（am29lv800bb）
软件如何发起写操作呢，下面有几个例子的代码进行讲解。
1）地址对齐的16位读操作
unsigned short *pwaddr = （unsigned short *）0x2;
unsigned short uwval;
uwval = *pwaddr;
上述代码会向nor flash发起读操作：cpu发出的读地址为0x2，则地址总线addr1~addr20、a0~a19的信号都是1、0.。。、0（cpu的addr0 为0，不过addr0没有接到nor flash上）。nor flash的地址就是0x1，nor flash在稍后的时间里将地址上的16位数据取出，并通过数据总线d0~d15发给cpu。
2）地址位不对齐的16位读操作
unsigned short *pwaddr = （unsigned short *）0x1;
unsigned short uwval;
uwval = *pwaddr;
由于地址是0x1，不是2对齐的，但是bank0的位宽被设为16，这将导致异常。我们可以设置异常处理函数来处理这种情况。在异常处理函数中，使用 0x0、0x2发起两次读操作，然后将两个结果组合起来：使用地址0x0的两字节数据d0、d1；再使用地址0x02读到d2、d3；最后，d1、d2组 合成一个16位的数字返回给wval。如果没有地址不对齐的异常处理函数，那么上述代码将会出错。如果某个bank的位宽被设为n，访问此bank时，在 总线上永远只会看到地址对齐的n位操作。
3）8位读操作
unsigned char *pwaddr = （unsigned char *）0x6;
unsigned char ucval;
ucval = *pwaddr;
cpu首先使用地址0x6对nor flsh发起16位的读操作，得到两个字节的数据，假设为d0、d1；然后将d0取出赋值给变量ucval。在读操作期间，地址总线 addr1~addr20、a0~a19的信号都是1、1、0、。。.、0（cpu的addr0为0，不过addr0没有接到nor flash上）。cpu会自动丢弃d1。
4）32位读操作
unsigned int *pwaddr = （unsigned int *）0x6;
unsigned int udwval;
udwval = *pwaddr;
cpu首先使用地址0x6对nor flsh发起16位的读操作，得到两个字节的数据，假设为d0、d1；再使用地址0x8发起读操作，得到两字节的数据，假设为d2、d3；最后将这4个数据组合后赋给变量udwval。
5）16位写操作
unsigned short *pwaddr = （unsigned short *）0x6;
*pwaddr = 0x1234;
由于nor flash的特性，使得nor flash的写操作比较复杂——比如要先发出特定的地址信号通知nor flash准备接收数据，然后才发出数据等。不过，其总线上的电信号与软件指令的关系与读操作类似，只是数据的传输方向相反。
四、何为上拉电阻、下拉电阻 上拉电阻是针对npn来说的，下拉电阻是针对pnp来说的！不管是上拉电阻还是下拉电阻都是为了使集电极有确定的电位！
比如对npn来说，当不用上拉电阻的时候，若基集为正，则导通，集电极为0。但当基集为0，则截止，此时集电极是悬空的，电位无法确定！一旦加了上拉电阻，当导通的时候，集电极为0，当截止的时候，集电极为正。
pnp也一样，导通的时候集电极为正，截止的时候集电极为0。
五、gpio端口配置方法 单个引脚的操作无非就三种情况：输出高低电平，检测引脚状态，中断。对引脚的操作一般是通过特定寄存器的配置完成。
如图，根据led 的硬件电路图，实现点亮led：
［cpp］ view plain copy#define gpfcon （*（volatile unsigned long *）0x56000050）
#define gpfdat （*（volatile unsigned long *）0x56000054）
#define gpf4_out （1《《（4*2））
#define gpf5_out （1《《（5*2））
#define gpf6_out （1《《（6*2））
#define gpf7_out （1《《（7*2））
void wait（volatile unsigned long dly）
{
for（; dly 》 0; dly--）;
}
int main（void）
{
unsigned long i = 0;
gpfcon = gpf4_out|gpf5_out|gpf6_out|gpf7_out; // 将led1-4对应的gpf4/5/6/7三个引脚设为输出
while（1）{
wait（30000）;
gpfdat = （~（i《《4））; // 根据i的值，点亮led1~4
if（++i == 8）
i = 0;
}
return 0;
}
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不同系统间的gpio的确切作用不同。通用常有下面几种：
----输出值可写（高=1，低=0）。一些芯片也可以选择驱动这些值的方式，以便支持“线-或”或类似方案（开漏信号线）。
----输入值可读（1，0）。一些芯片支持输出管脚回读，这在线或的情况下非常有用（以支持双向信号线）。gpio控制器可能具有一个输入防故障/防反跳逻辑，有时还会有软件控制。
----输入经常被用作中断信号，通常是边沿触发，但也有可能是电平触发。这些中断可以配置为系统唤醒事件，从而将系统从低功耗模式唤醒。
----一个gpio经常被配置为输入/输出双向，根据不同的产品单板需求，但也存在单向的情况。
----大多是gpio可以在获取到spinlock自旋锁时访问，但那些通过串行总线访问的通常不能如此操作（休眠的原因）。一些系统中会同时存在这两种形式的gpio。
----在一个给定单板上，每个gpio用于一个特定的目的，如监控mmc/sd卡的插入/移除，检查卡写保护状态，驱动led，配置发送器，串行总线位拆，触发一个硬件看门狗，触发一个开关之类的。
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低成本：您不用为没有使用的功能买单。
快速上市：不需要编写额外的代码、文档，不需要任何维护工作。
灵活的灯光控制：内置多路高分辨率的pwm输出。
可预先确定响应时间：缩短或确定外部事件与中断之间的响应时间。
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布线简单：仅需使用2条就可以组成iic总线或3条组成spi总线。
与arm 的几组gpio引脚，功能相似，gpxcon 控制引脚功能，gpxdat用于读写引脚数据。另外，gpxup用于确定是否使用上拉电阻。 x为a，b，，h/j，
gpaup没有上拉电阻。
三、gpio硬件介绍 1. 通过寄存器来操作gpio引脚 gpxcon用于选择引脚功能，gpxdat用于读/写引脚数据；另外，gpxup用于确定是否使用内部上拉电阻。x为b、。。.、 h/j，没有gpaup寄存器。
1.1 gpxcon寄存器
从寄存器的名字可以看出，它用于配置（configure）-选择引脚功能。
porta与portb~port h/j在功能选择方面有所不同，gpacon中每一位对应一根引脚（共23根引脚）。当某位被设为0时，相应引脚为输出引脚，此时我们可以在gpadat 中相应位写入0或是1让此引脚为低电平或高电平；当某位被设为1时，相应引脚为地址线或用于地址控制，此时gpadat无用。一般而言，gpacon通常 被设为全1，以便访问外部存储器件。
port b~ port h/j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保留不用。
1.2 gpxdat寄存器
gpxdat用于读/写引脚；当引脚被设为输入时，读此寄存器可知相应引脚的电平状态是高还是低；当引脚被设为输出时，写此寄存器相应位可以令此引脚输出高电平或是低电平。
1.3 gpxup寄存器
gpxup：某位为1时，相应引脚无内部上拉电阻；为0时，相应引脚使用内部上拉电阻。
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#define gpbcon （*volatile unsigned long *）0x56000010） //long=int 4字节；char 1字节；short 2字节
#define gpbdat （*volatile unsigned long *）0x56000014）
#define gpb5_out （1《《（582））
gpbcon = gpb5_out;
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图中缓冲器的作用是以提搞驱动能力、隔离前后级信号。nor flash（am29lv800bb）的片选信号使用ngcs0信号，当cpu发出的地址信号处于0x00000000~0x07ffffff之间 时，ngcs0信号有效（为低电平），于是nor flash被选中。这时，cpu发出的地址信号传到nor flash；进行写操作时，nwe信号为低，数据信号从cpu发给nor flash；进行读操作时，nwe信号为高，数据信号从nor flash发给cpu。
addr1~addr20 ------------------》 》--------------------a0~a19
data0~data15 《-----------------》 《-------------------》d0~d15
noe ------------------》 --------------------》noe
nwe ------------------》 --------------------》nwe
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软件如何发起写操作呢，下面有几个例子的代码进行讲解。
1）地址对齐的16位读操作
unsigned short *pwaddr = （unsigned short *）0x2;
unsigned short uwval;
uwval = *pwaddr;
上述代码会向nor flash发起读操作：cpu发出的读地址为0x2，则地址总线addr1~addr20、a0~a19的信号都是1、0.。。、0（cpu的addr0 为0，不过addr0没有接到nor flash上）。nor flash的地址就是0x1，nor flash在稍后的时间里将地址上的16位数据取出，并通过数据总线d0~d15发给cpu。
2）地址位不对齐的16位读操作
unsigned short *pwaddr = （unsigned short *）0x1;
unsigned short uwval;
uwval = *pwaddr;
由于地址是0x1，不是2对齐的，但是bank0的位宽被设为16，这将导致异常。我们可以设置异常处理函数来处理这种情况。在异常处理函数中，使用 0x0、0x2发起两次读操作，然后将两个结果组合起来：使用地址0x0的两字节数据d0、d1；再使用地址0x02读到d2、d3；最后，d1、d2组 合成一个16位的数字返回给wval。如果没有地址不对齐的异常处理函数，那么上述代码将会出错。如果某个bank的位宽被设为n，访问此bank时，在 总线上永远只会看到地址对齐的n位操作。
3）8位读操作
unsigned char *pwaddr = （unsigned char *）0x6;
unsigned char ucval;
ucval = *pwaddr;
cpu首先使用地址0x6对nor flsh发起16位的读操作，得到两个字节的数据，假设为d0、d1；然后将d0取出赋值给变量ucval。在读操作期间，地址总线 addr1~addr20、a0~a19的信号都是1、1、0、。。.、0（cpu的addr0为0，不过addr0没有接到nor flash上）。cpu会自动丢弃d1。
4）32位读操作
unsigned int *pwaddr = （unsigned int *）0x6;
unsigned int udwval;
udwval = *pwaddr;
cpu首先使用地址0x6对nor flsh发起16位的读操作，得到两个字节的数据，假设为d0、d1；再使用地址0x8发起读操作，得到两字节的数据，假设为d2、d3；最后将这4个数据组合后赋给变量udwval。
5）16位写操作
unsigned short *pwaddr = （unsigned short *）0x6;
*pwaddr = 0x1234;
由于nor flash的特性，使得nor flash的写操作比较复杂——比如要先发出特定的地址信号通知nor flash准备接收数据，然后才发出数据等。不过，其总线上的电信号与软件指令的关系与读操作类似，只是数据的传输方向相反。
四、何为上拉电阻、下拉电阻 上拉电阻是针对npn来说的，下拉电阻是针对pnp来说的！不管是上拉电阻还是下拉电阻都是为了使集电极有确定的电位！
比如对npn来说，当不用上拉电阻的时候，若基集为正，则导通，集电极为0。但当基集为0，则截止，此时集电极是悬空的，电位无法确定！一旦加了上拉电阻，当导通的时候，集电极为0，当截止的时候，集电极为正。
pnp也一样，导通的时候集电极为正，截止的时候集电极为0。
五、gpio端口配置方法 单个引脚的操作无非就三种情况：输出高低电平，检测引脚状态，中断。对引脚的操作一般是通过特定寄存器的配置完成。
如图，根据led 的硬件电路图，实现点亮led：
［cpp］ view plain copy#define gpfcon （*（volatile unsigned long *）0x56000050）
#define gpfdat （*（volatile unsigned long *）0x56000054）
#define gpf4_out （1《《（4*2））
#define gpf5_out （1《《（5*2））
#define gpf6_out （1《《（6*2））
#define gpf7_out （1《《（7*2））
void wait（volatile unsigned long dly）
{
for（; dly 》 0; dly--）;
}
int main（void）
{
unsigned long i = 0;
gpfcon = gpf4_out|gpf5_out|gpf6_out|gpf7_out; // 将led1-4对应的gpf4/5/6/7三个引脚设为输出
while（1）{
wait（30000）;
gpfdat = （~（i《《4））; // 根据i的值，点亮led1~4
if（++i == 8）
i = 0;
}
return 0;
}
中国移动发布了2019-2020年高端路由器和高端交换机集中采购中标结果
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