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：
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——数据寄存器与控制寄存器。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_TAMPER3与GPIO5_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。
1.2 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。
① PAD：它代表了i.MX6ULL芯片的一个GPIO引脚。
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...)。
③ 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。
④ 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...)。
⑤ 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。
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及控制线:
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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
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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。
另外，对于每个引脚都有很多关于属性的配置：
-
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。
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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：
-
④ 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。
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PUS 上下拉配置：可选为100K欧下拉以及22K欧、47K欧及100K欧上拉。
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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。
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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。
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：
① MUX_Mode配置：用来配置引脚的复用功能
② 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：
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。
-
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。
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。
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。
这也是个32位寄存器，但是只用到了其中的低17位。
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：
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。
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；
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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：
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。
2.5 配置总结
使用i.MX6ULL的GPIO时，需要如下几步配置：
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。
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