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【i.MX6ULL】驱动开发3——GPIO寄存器配置原理 [复制链接]

本帖最后由 DDZZ669 于 2021-9-23 23:09 编辑

 

前面的两篇Linux驱动文章,介绍了字符设备驱动的两种新旧开发方式,并使用一个虚拟的字符驱动来学习字符设备的开发的流程。

本篇起,就要来操作Linux开发板的硬件,首先当然是通过经典的点亮LED灯程序,来学习Linux IO口操作的字符设备开发流程。

对比STM32的点灯程序,有寄存器操作与库函数操作两种,但其本质都是在配置寄存器。

同样,i.MX6ULL也有多种点灯方式:

  • 裸机系统:汇编操作寄存器点灯、C语言操作寄存器点灯

  • 跑Linux系统:字符驱动LED点灯、设备树驱动LED点灯

究其本质,最终都是要操作i.MX6ULL的寄存器。比如,在控制GPIO引脚实现LED亮灭时,会进行类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)

那这些寄存器都是什么作用呢?这些地址是怎么确定的呢?

所以,在学习GPIO控制LED点灯之前,需要先了解清楚有关GPIO的寄存器配置。

既然是要操作硬件,首先就来看一下i.MX6ULL这个芯片的IO口基本信息。

1 认识Linux开发板的GPIO口

首先要明确:IO与GPIO是两个概念,GPIO是属于IO的一部分。

  • IO: Input Output,用于CPU与外界进行信息交互。例如CPU 读内存数据需要 I/O 系统,CPU 输出数据到屏幕显示出来也需要 I/O 系统,信息在 I/O 系统上传输有串行或并行。

  • GPIO: General-Purpose IO ports,即通用I/O口,在微控制器芯片上一般都会提供一个“通用可编程I/O接口”。接口至少有两个寄存器——数据寄存器控制寄存器。数据寄存器的各位直接引到芯片外部,控制寄存器则是对数据寄存器中每一位进行独立的设置。

1.1 板子LED硬件原理图

在开始介绍i.MX6ULL的GPIO之前,先来看一下板子的原理中对于LED的标注。

我这块板子(野火EBF6ULL S1 Pro)的原理图中关于LED电路的部分,如下图所示。

这里出现了两种标注:SNVS_TAMPER3GPIO5_IO03,先对这两个名称有个印象,下面就来介绍其含义。

另外,从原理图可以看出,低电平时LED灯会亮起。

1.png

 

1.2 GPIO逻辑结构

下图为i.MX6ULL的GPIO硬件结构框图,其中①和⑤的PAD表示i.MX6ULL芯片引出的GPIO引脚,其余部件都位于芯片内部。

PAD:它代表了i.MX6ULL芯片的一个GPIO引脚。

IOMUX复用选择器:与STM32的引脚复用功能类似,i.MX6ULL芯片的每个IO通过IOMUXC中的MUX寄存器和PAD寄存器设置,可以支持多种功能(如GPIO、IIC、USART...)

Block外设功能控制块:例如具有PWM输出功能的引脚,它需要PWM外设的支持。

GPIO外设:GPIO模块是每个IO都具有的外设, 它是IO控制的基本功能, 如输出高低电平、 检测电平输入等。当需要使用引脚的GPIO功能时,就要配置GPIO外设中的各个寄存器(DR、GDIR、PSR...)

与其它引脚的连接:这里是另一个引脚PAD2,它与PAD1有一根信号线连接,表示部分引脚的输出可以作为另一个引脚的输入。

2.png

1.2.1 PAD配置

PAD代表示i.MX6ULL 的GPIO引脚。其左侧是一系列信号通道控制线:

  • input_on控制输入开关

  • Dir 控制引脚的输入输出方向

  • Data_out 控制引脚输出高低电平

  • Data_in 作为信号输入

这些信号都经过一个IOMUX器件连接到左侧的寄存器。

3.png

另外,对于每个引脚都有很多关于属性的配置:

4.png

  • ① PAD引脚

    框图最右侧的PAD同样是代表一个i.MX6ULL引脚。

  • ② 输出缓冲区(OBE,output buffer enable)

    当输出缓冲区使能时,引脚被配置为输出模式。该模式又包含了如下的属性配置:

    • DSE 驱动能力配置:通过调整芯片内部与引脚串联电阻 R0 的大小,从而改变引脚的驱动能力。可以把R0的值配置为原值的1/2、1/3⋯1/7 等。

    • SRE 压摆率配置:指电压转换速率,即电压由波谷升到波峰的时间。增大压摆率可减少输出电压的上升时间。

    • SPEED 带宽配置:带宽的意思是能通过这个IO口最高的信号频率,可设置为50MHz、100MHz以及200MHz。

    • ODE 开漏输出配置:开漏输出模式常用在一些通讯总线中,如I2C。

  • ③ 输入缓冲区(IBE,input buffer enable)

    当输入缓冲区使能时,引脚被配置为输入模式。该模式又包含了如下的属性配置:

    • HYS 滞后使能:i.MX6ULL的输入检测可以使用普通的 CMOS 检测或施密特触发器模式(滞后模式)。

  • Pull/Keeper上下拉、保持器

    引脚的控制中还包含了上下拉、保持器的功能。

    • PUS 上下拉配置:可选为100K欧下拉以及22K欧、47K欧及100K欧上拉。

    • PUE 上下拉、保持器选择:上下拉功能和保持器功能是二选一的,可以通过PUE来选择。

    • PKE 上下拉、保持器配置:上下拉功能和保持器还通过PKE来控制是否使能。

1.2.2 IOMUX复用选择器

与STM32的引脚复用功能类似,i.MX6ULL芯片的每个GPIO通过IOMUX设置,可以支持多种功能。

5.png

IOMUX由其左侧的IOMUXC提供寄存器给用户进行配置,它又分成MUX_Mode(IO 模式控制)以及Pad Settings(Pad 配置)两个部分:

MUX_Mode配置:用来配置引脚的复用功能

Pad Settings 配置:配置引脚的属性,例如驱动能力,是否使用上下拉电阻,是否使用保持器,是否使用开漏模式以及使用施密特模式还是CMOS模式等

在IOMUXC外设中关于MUX_Mode和Pad Settings寄存器命名格式如下:

IOMUXC 控制类型 寄存器名称
MUX_Mode IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_XXXX
Pad Settings IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_XXXX

1.3 GPIO命名

1.3.1 按照GPIO分组

i.MX6ULL芯片的GPIO被分成 5 组, 并且每组GPIO的数量不尽相同,例如GPIO1有32个引脚,GPIO2有22个引脚等等:

GPIO组 引脚数 名称
GPIO1 32 GPIO1_IO0~GPIO1_IO31
GPIO2 22 GPIO2_IO0~GPIO2_IO21
GPIO3 29 GPIO3_IO0~GPIO3_IO28
GPIO4 29 GPIO4_IO0~GPIO4_IO28
GPIO5 12 GPIO5_IO0~GPIO5_IO11

具体可查阅数据手册:

6.png

1.3.2 按照IO分组

此外,还有另一种命名方式,因为GPIO是属于IO的一种,因此按照I.MX6ULL的IO分类,可以分为两大类:SNVS域的IO和通用的IO,这两类IO本质上是一样的。

IO类别 命名类型
SNVS域的IO IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX
通用的IO IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX
  • SNVS域的IO: 命名形式为IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX

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

    7.png

  • 通用的IO: 命名形式为IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX

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

    8.png

所以,从IO名称上,基本就可以看出该管脚的基本用途。

2 板子LED引脚配置

下面以 GPIO5_IO03引脚为例,也就是这次要控制的LED引脚,进行配置:

2.1 IO配置

2.1.1 配置MUX寄存器

从下图可以看出,IOMUXC_SNVS_SW_MUX_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3的MUX寄存器,其地址为0X2290014H

这个寄存器是32位的,但只用到了低5位,其中bit0~bit3(MUX_MODE)就是设置SNVS_TAMPER3的复用功能的。

SNVS_TAMPER3只能复用为 种功能 IO,即ALT5作为 GPIO5_IO03

9.png

2.1.2 配置PAD寄存器

PAD 寄存器的配置项相对于MUX寄存器就更加丰富了。

从下图可以看出,IOMUXC_SNVS_SW_PAD_CTL_PAD_SNVS_TAMPER3的PAD寄存器,其地址为0X2290058H

也是个32位寄存器,但是只用到了其中的低17位

10.png

2.2 GPIO配置

上面的MUX和PAD这两种寄存器都是配置IO的,当把IO配置为了GPIO功能后,还有继续对GPIO外设的各种寄存器进行配置:

11.png

2.2.1 配置DR寄存器

DR(data register),即数据寄存器,它是32位的,一个GPIO组最大只有32个IO,因此DR寄存器中的每个位都对应一个 GPIO。

  • 当GPIO被配置为输出模式后,向指定的位写入数据那么相应的IO就会输出相应的高低电平,例如,要设置GPIO5_IO03输出低电平,那么就应该设置 GPIO5.DR=0x08。

  • 当 GPIO被配置为输入模式后,此寄存器就保存着对应IO的电平值,每个位对对应一个GPIO,例如,当GPIO5_IO03这个引脚接地的话,那么 GPIO5.DR 的bit3就是0。

gpio1-DR.png

2.2.2 配置GDIR寄存器

GDIR(GPIO direction register),即方向寄存器,也是32位的,用来设置某个GPIO的工作方向的,即输入/输出。

同样的,每个IO对应一个位,如果要设置GPIO为输入,就设置相应的位为0,如果要设置为输出,就设置为 1。

比如要设置 GPIO5_IO03 为输出,那么 GPIO5.GDIR=0x00;

gpio2-GDIR.png

2.2.3 配置PSR寄存器

PSR(Pad Status Register),即状态寄存器,也是32位的。

注意它是一个只读寄存器,每个IO对应一个位,读取相应的位即可获取对应的GPIO的状(高低电平值),功能和输入状态下的DR寄存器一样。

这个寄存器使用ipg_clk_s时钟,这意味着只有在访问这个位时才对输入信号进行采样。所以,为了同步访问这个寄存器都需要两个等待状态。

gpio3-PSR.png

2.2.4 配置ICR1寄存器

ICR1(interrupt configuration register1)和ICR2,都是中断控制寄存器, ICR1用于配置低16个GPIO,ICR2 用于配置高16 个GPIO。

ICR1寄存器中一个GPIO用两个位,这两个位用来配置中断的触发方式:

位设置 中断触发方式
00 低电平触发
01 高电平触发
10 上升沿触发
11 下降沿触发

以GPIO1_IO15为例, 若要设置该引脚为上升沿触发中断, 需要配置为:GPIO1.ICR1=2<<30。

gpio4-ICR1 - 副本.png

2.2.5 配置ICR2寄存器

ICR1和ICR2(interrupt configuration register2),都是中断控制寄存器, ICR1用于配置低16个GPIO,ICR2 用于配置高16 个GPIO。

若要设置GPIO1的IO16~31的话就需要设置ICR2寄存器了,设置方式参考上面的ICR1。下面这个图与ICR1类似,只截取部分显示。

gpio5-ICR2.png

2.2.6 配置IMR寄存器

IMR(interrupt mask register),即中断屏蔽寄存器,也是32位,每个IO对应一个位。

IMR寄存器用来控制GPIO的中断禁止和使能,如果使能某个GPIO的中断,那么设置相应的位为1即可,反之,如果要禁止中断,那么就设 置相应的位为0即可。

例如,要使能GPIO1_IO00的中断,需要配置为GPIO1.MIR=1。

gpio6-IMR.png

2.2.7 配置ISR寄存器

ISR(interrupt status register),即中断状态寄存器,也是32位,每个IO对应一个位。

只要某个GPIO的中断发生,则ISR中相应的位就会被置1。所以通过读取ISR寄存器来判断是否发生了中断,类似于学习STM32用到的中断标志位。

当中断处理完以后,必须清除中断标志位,清除方法就是向ISR中相应的位写1,也就是写1清零。

为了同步,读访问需要两个等待状态,复位需要一个等待状态。

gpio7-ISR.png

2.2.8 配置EDGE_SEL寄存器

EDGE_SEL(edge select register),即边沿选择寄存器,也是32位,每个IO对应一个位。

它用来设置边沿中断, 并会覆盖ICR1和ICR2的设置。

如果相应的位被置1,则相当于设置了对应的GPIO是双边沿(上升沿和下降沿)触发。例如,设置GPIO1.EDGE_SEL=1,则表示 GPIO1_IO01是双边沿触发中断,无论 GFPIO1_CR1的设置为多少。

gpio8-EDGE.png

2.3 GPIO各寄存器地址查询表

上面介绍的有关GPIO的7种寄存器,为了方便查询各个寄存器的地址,这里列出一张表:

12.png

2.4 时钟配置

与ST32类似,I.MX6ULL每个外设都有一个外设时钟,使用GPIO时,也必须先使能对应的时钟。

2.4.1 配置CCM寄存器

CCM(Clock Controller Module)时钟控制模块寄存器用来使能外设时钟。 CMM一共有CCM_CCGR0~CCM_CCGR6这 7 个寄存器,控制着I.MX6U的所有外设时钟开关。

GPIOx CCGRx(addr) CGx
GPIO1_CLK_ENABLE CCGR1(0X020C406C) CG13
GPIO2_CLK_ENABLE CCGR0(0X020C4068) CG15
GPIO3_CLK_ENABLE CCGR2(0X020C4070) CG13
GPIO4_CLK_ENABLE CCGR3(0X020C4074) CG6
GPIO5_CLK_ENABLE CCGR1(0X020C406C) CG15

以CCM_CCGR0为例,它是个32位寄存器,每2位控制一个外设的时钟,比如 bit31:30 控制着GPIO2 的外设时钟,两个位就有 4 种操作方式:

位设置 时钟控制
00 所有模式下都关闭外设时钟
01 只有在运行模式下打开外设时钟,等待模式和停止模式下均关闭外设时钟
10 未使用(保留)
11 除了停止模式以外,其他所有模式下时钟都打开

若要打开GPIO2的外设时钟,只需要设置CCM_CCGR0的bit31和bit30为1即可,即 CCM_CCGR0=3 << 30。

13.png

2.5 配置总结

使用i.MX6ULL的GPIO时,需要如下几步配置:

  • 使能 GPIO 对应的时钟

  • 配置MUX寄存器,设置IO的复用功能,使其复用为GPIO功能

  • 配置PAD寄存器,设置 IO 的上下拉、速度等

  • 配置GPIO的各种寄存器(DR、GDIR、...),设置输入/输出、是否使用中断、默认输出电平等

通过上面对各种寄存器的介绍,现在再来看本篇开头提到的那几个寄存器地址,如果理解了本篇的介绍,应该就知道这些地址大概的含义了:

/* 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 总结

本篇主要介绍了i.MX6ULL有关GPIO的寄存器配置原理,本篇是i.MX6ULL操作硬件电路的基础,了解了这些寄存器的配置原理,后续的LED输出控制、按键输入控制、IIC、SPI通信控制才能更加容易理解。

 

 

此帖出自ARM技术论坛

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五彩晶圆(初级)

看了上面对各种寄存器的介绍,基本都知道这些地址大概的含义了。


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一粒金砂(初级)

图文并茂,非常好,学习了,感谢分享,继续努力,谢谢博主的分享


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一粒金砂(高级)

学习了,点灯不容易啊


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五彩晶圆(初级)

现在应该是用pinctrl了吧

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预计下下篇介绍pinctrl,先把各种点灯的方式过一遍  详情 回复 发表于 2021-9-27 23:25
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默认摸鱼


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一粒金砂(高级)

freebsder 发表于 2021-9-24 15:18 现在应该是用pinctrl了吧

预计下下篇介绍pinctrl,先把各种点灯的方式过一遍

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期待!哈哈,与时俱进!  详情 回复 发表于 2021-9-28 13:50

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五彩晶圆(初级)

DDZZ669 发表于 2021-9-27 23:25 预计下下篇介绍pinctrl,先把各种点灯的方式过一遍

期待!哈哈,与时俱进!

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