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IMX6ULL学习笔记（13）——GPIO接口使用（汇编方式）

2022-12-12  本文已影响0人  Leung_ManWah

一、GPIO简介

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 拥有 32 个引脚， GPIO2 拥有 22 个引脚， 其他 GPIO 分组的数量以及每个 GPIO 的功能请参考 《i.MX 6UltraLite Applications Processor Reference Manual》 第26章General Purpose Input/Output (GPIO)（P1133）。


通过 GPIO 硬件结构框图，就可以从整体上深入了解 GPIO 外设及它的各种应用模式。

1.1 IO命名

打开 i.MX6ULL 参考手册的第 32 章“Chapter 32: IOMUX Controller(IOMUXC)”


i.MX6ULL 的 IO 分为两类：SNVS 域的和通用的，这两类 IO 本质上都是一样的。

“IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00”的就是 GPIO 命名，命名形式就是“IOMUXC_SW_MUC_CTL_PAD_XX_XX”，后面的“XX_XX”就是 GPIO 命名，比如：GPIO1_IO01、UART1_TX_DATA、JTAG_MOD 等等。他是 根据某个 IO 所拥有的功能来命名的。比如我们一看到 GPIO1_IO01 就知道这个肯定能做 GPIO，看到 UART1_TX_DATA 肯定就知道这个 IO 肯定能做为 UART1 的发送引脚。

IO 复用功能。 i.MX6ULL 除了 GPIO1_IO00~GPIO1_IO09 引脚外，其它 IO 也是可以复用为 GPIO 功能。同样的，GPIO1_IO00~GPIO_IO09 也是可以复用为其它外设引脚。

1.2 IO复用

IOMUX 译为 IO 复用选择器。i.MX6ULL 的芯片每个 GPIO 都通过 IOMUX 支持多种功能， 例如一个 IO 可用于网络外设 ENET 的数据接收引脚，也可以被配置成 PWM 外设的输出引脚， 这样的设计大大增加了芯片的适用性，这样可选的功能就是由 IOMUX 实现的。IOMUX 相当于增加了多根内部信号线与 IO 引脚相连，最多有 8 根，也就是说一个 IO 最多可支持 8 种可选的功能。

以“IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00”这个 IO 为例，打开参考手册的 1568 页。



可以看到有个名为：IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 的寄存器，寄存器地址为 0X020E005C，这个寄存器是 32 位的，但是只用到了最低 5 位，其中 bit0~bit3(MUX_MODE) 就是设置 GPIO1_IO00 的复用功能的。GPIO1_IO00 一共可以复用为 9 种功能 IO，分别对应 ALT0~ALT8，其中 ALT5 就是作为 GPIO1_IO00。GPIO1_IO00 还可以作为 I2C2_SCL、GPT1_CAPTURE1、ANATOP_OTG1_ID 等。

1.3 IO配置

IOMUX 由其左侧的 IOMUXC 控制（C表示Controler），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：

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

每个引脚都包含这两个寄存器，表中的XXXX表示引脚的名字

1.3.1 MUX Mode配置

MUX Mode 就是用来配置引脚的复用功能，即选择引脚具体是用于网络外设 ENET 的数据接收， 还是用于 PWM 外设的输出引脚，当然，也可以配置成普通的 IO 口，仅用于控制输出高低电平。

以 GPIO1_IO04 引脚为例对 MUX 寄存器进行说明，该引脚相应的 MUX 寄存器在参考手册中的描述如下：

该寄存器主要有两个配置域，分别是 SION 和 MUX_MODE。

1.3.2 Pad Settings配置

Pad Settings 用于配置引脚的属性，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。

以 GPIO1_IO04 引脚中 PAD 寄存器在参考手册中的描述如下：

相对来说 PAD 寄存器的配置项就更丰富了，而且图中仅是该寄存器的部分说明，如 HYS 设置使用施密特模式的滞后功能，PUS 配置上下拉电阻的阻值， 其它的还包含PUE、PKE、ODE、SPEED、DSE 及 SRE 的配置。

1.3.3 PAD（可跳过不看）

PAD 代表了一个 i.MX6ULL 的 GPIO 引脚。在它的左侧是一系列信号通道及控制线，如 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 的器件连接到左侧的寄存器。

①PAD引脚
代表一个i.MX6ULL的引脚。
②输出缓冲区
当输出缓冲区使能时，引脚被配置为输出模式。在输出缓冲区中，又包含了如下的属性配置：

③输入缓冲区
当输入缓冲区使能时，引脚被配置为输入模式。在输入缓冲区中，又包含了如下的属性配置：

④Pull/Keeper上下拉、保持器
引脚的控制逻辑中还包含了上下拉、保持器的功能。芯片内部的上拉和下拉电阻可以将不确定的信号钳位在高、低电平，或小幅提高的电流输出能力，上拉提供输出电流，下拉提供输入电流。注意这些上下拉配置只是弱拉，对于类似I2C之类的总线，还是必须使用外部上拉电阻。i.MX6ULL芯片的电源模块中包含转换器，当转换器停止工作时，保持器会保持输入输出电压。

上下拉、保持器可以通过如下属性配置：

注意，当引脚被配置为输出模式时，不管上下拉、保持器是什么配置，它们都会被关闭。

1.4 GPIO配置

GPIO 模块是每个 IO 都具有的外设，它具有 IO 控制最基本的功能，如输出高低电平、检测电平输入等。 它也占用 IOMUX 分配的复用信号，也就是说使用 GPIO 模块功能时同样需要使用 IOMUX 选中 GPIO 外设，对其 GPIO 的功能进行配置。


1.4.1 GDIR方向寄存器

设置某个 IO 的工作方向。控制一个 GPIO 引脚时，要先用 GDIR 方向寄存器配置该引脚用于输出电平信号还是用作输入检测。 典型的例子是使用输出模式可以控制LED灯的亮灭，输入模式时可以用来检测按键是否按下。

GDIR 寄存器的每一个数据位代表一个引脚的方向，对应的位被设置为0时该引脚为输入模式，被设置为1时该引脚为输出模式。

例如，对 GPIO1 的 GDIR 寄存器的 bit3 位被写入为 1，那么 GPIO1.3 引脚的模式即为输出。

1.4.2 DR数据寄存器

DR 数据寄存器直接代表了引脚的电平状态，它也使用 1 个数据位表示 1 个引脚的电平，每位用 1 表示高电平，用 0 表示低电平。

当 GDIR 方向寄存器设置引脚为输出模式时，写入 DR 数据寄存器对应的位即可控制该引脚输出的电平状态， 如这时 GPIO1 的 DR 寄存器的 bit4 被写入为 1，则引脚为输出高电平。

当 GDIR 方向寄存器设置引脚为输入模式时，读取 DR 数据寄存器对应的位即可获取该引脚当前的输入电平状态，例如这里读取 GPIO1 的DR寄存器的 bit4，得到该位的值为 0，表示当前引脚的输入状态为低电平。


1.4.3 PSR引脚状态寄存器

读取相应的位即可获取对应的 GPIO 的状态，也就是 GPIO 的高低电平值。PSR 引脚状态寄存器相当于 DR 寄存器的简化版，它仅在 GDIR 方向寄存器设置为输入模式时有效，它的每个位表示一个引脚当前的输入电平状态。PSR 寄存器的权限是只读的，对它进行写操作是无效的。

特别地，当引脚被配置成输出模式时，若 IOMUXC 中的 MUX 寄存器使能了 SION 功能（输出通道回环至输入）， 可以通过 PSR 寄存器读取回引脚的状态值。

二、引脚确定

我使用的是 野火_EBF6ULL S1 Pro 开发板


从原理图可看到 RGB 灯的三个阴极 R、G、B 连接分别连接至标号 GPIO_4、CSI_HSYNC、CSI_VSYNC， 这些标号实际上与配套核心板上 i.MX6ULL 芯片的引脚相连。由于引脚功能众多， 绘制原理图时不可避免地无法完全表示引脚信息的所有信息。而无论是具体的引脚名还是复用功能， 我们都无法直接得知这些具体是 i.MX6ULL 芯片的哪个引脚。我们需要知道这些引脚是对应的具体 GPIO，这样我们才能编写程序进行控制。

由于还不清楚标号 GPIO_4、CSI_HSYNC、CSI_VSYNC 的具体引脚名，我们首先要在核心板原理图中查看它与 i.MX6ULL 芯片的关系。打开 《野火_EBF6ULL S1 邮票孔核心板V1.0原理图》，在PDF阅读器的搜索框输入前面的 GPIO_4、CSI_HSYNC、CSI_VSYNC 标号。


查找到了 GPIO_4 信号的具体引脚名为 GPIO1_IO04。 但是当我们使用同样的方法查找时发现只能找到 CSI_HSYNC、CSI_VSYNC， 并没有我们熟悉的 GPIOx_IOx 标注的引脚名。这两个引脚默认情况下不用作 GPIO，而是用作摄像头的某一功能引脚，但是它可以复用为 GPIO，我们怎么找到对应的 GPIO 呢？

经查阅，我们把以上连接 LED 灯的各个 i.MX6ULL 芯片引脚总结出如表：

LED灯 原理图的标号 具体引脚名 GPIO端口及引脚编号
R灯 GPIO_4 GPIO1_IO04 GPIO1_IO04
G灯 CSI_HSYNC CSI_HSYNC GPIO4_IO20
B灯 CSI_VSYNC CSI_VSYNC GPIO4_IO19

三、编程流程

1. 开启GPIO时钟
2. 设置引脚的复用功能以及引脚属性
3. 设置引脚方向以及输出电平

四、编程代码

4.1 完整代码

/*************************第一部分*************************/
.text            //代码段
.align 2         //设置2字节对齐
.global _start   //定义一个全局标号

/*************************第二部分*************************/
_start:          //程序的开始
   b reset      //跳转到reset标号处

/*************************第三部分*************************/
reset:
   mrc     p15, 0, r0, c1, c0, 0     /*  将 CP15 协处理器中的寄存器数据读到 ARM 寄存器中   */
   bic     r0,  r0, #(0x1 << 12)     /*  清除第12位（I位）禁用 I Cache  */
   bic     r0,  r0, #(0x1 <<  2)     /*  清除第 2位（C位）禁用 D Cache  */
   bic     r0,  r0, #0x2             /*  清除第 1位（A位）禁止严格对齐   */
   bic     r0,  r0, #(0x1 << 11)     /*  清除第11位（Z位）分支预测   */
   bic     r0,  r0, #0x1             /*  清除第 0位（M位）禁用 MMU   */
   mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 0     /*  将 ARM 寄存器的数据写入到 CP15 协处理器寄存器中   */

/*************************第四部分*************************/
   /*跳转到light_led函数*/
   bl light_led
   /*进入死循环*/
 /*************************第五部分*************************/
loop:
   b loop


/*************************第六部分*************************/
/*CCM_CCGR1 时钟使能寄存器地址，默认时钟全部开启*/
#define gpio1_clock_enible_ccm_ccgr1  0x20C406C


/*IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO04
寄存器地址，用于设置GPIO1_iIO04的复用功能*/
#define gpio1_io04_mux_ctl_register  0x20E006C
/*IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO04寄存器地址，用于设置GPIO的PAD属性*/
#define gpio1_io04_pad_ctl_register  0x20E02F8


/*GPIO1_GDIR寄存器，用于设置GPIO为输入或者输出*/
#define  gpio1_gdir_register  0x0209C004
/*GPIO1_DR寄存器，用于设置GPIO输出的电平状态*/
#define  gpio1_dr_register  0x0209C000



/*************************第七部分*************************/
light_led:
   /*开启GPIO1的时钟*/
   ldr r0, =gpio1_clock_enible_ccm_ccgr1
   ldr r1, =0xFFFFFFFF
   str r1, [r0]

/*************************第八部分*************************/
   /*将PAD引脚复用为GPIO*/
   ldr r0, =gpio1_io04_mux_ctl_register
   ldr r1, =0x5
   str r1, [r0]

/*************************第九部分*************************/
   /*设置GPIO PAD属性*/
   ldr r0, =gpio1_io04_pad_ctl_register
   ldr r1, =0x1F838
   str r1, [r0]
/*************************第十部分*************************/
   /*将GPIO_GDIR.[4] 设置为1， gpio1_io04设置为输出模式*/
   ldr r0, =gpio1_gdir_register
   ldr r1, =0x10
   str r1, [r0]

/*************************第十一部分*************************/
   /*将GPIO_DR 设置为0， gpio1全部输出为低电平*/
   ldr r0, =gpio1_dr_register
   ldr r1, =0x0
   str r1, [r0]

/*************************第十二部分*************************/
   /*跳出light_led函数，返回跳转位置*/
   mov pc, lr

4.2 分析代码

在 Ubuntu 下创建 led.S 文件用于编写 LED 汇编驱动代码。

/*************************第一部分*************************/
.text            //代码段
.align 2         //设置2字节对齐
.global _start   //定义一个全局标号

/*************************第二部分*************************/
_start:          //程序的开始
   b reset      //跳转到reset标号处

/*************************第三部分*************************/
reset:
   mrc     p15, 0, r0, c1, c0, 0     /*  将 CP15 协处理器中的寄存器数据读到 ARM 寄存器中   */
   bic     r0,  r0, #(0x1 << 12)     /*  清除第12位（I位）禁用 I Cache  */
   bic     r0,  r0, #(0x1 <<  2)     /*  清除第 2位（C位）禁用 D Cache  */
   bic     r0,  r0, #0x2             /*  清除第 1位（A位）禁止严格对齐   */
   bic     r0,  r0, #(0x1 << 11)     /*  清除第11位（Z位）分支预测   */
   bic     r0,  r0, #0x1             /*  清除第 0位（M位）禁用 MMU   */
   mcr     p15, 0, r0, c1, c0, 0     /*  将 ARM 寄存器的数据写入到 CP15 协处理器寄存器中   */

/*************************第四部分*************************/
   /*跳转到light_led函数*/
   bl light_led
   /*进入死循环*/

/*************************第五部分*************************/
loop:
   b loop

/*************************第六部分*************************/
/*CCM_CCGR1 时钟使能寄存器地址，默认时钟全部开启*/
#define gpio1_clock_enible_ccm_ccgr1  0x20C406C


/*IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO04
寄存器地址，用于设置GPIO1_IO04的复用功能*/
#define gpio1_io04_mux_ctl_register  0x20E006C
/*IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO04寄存器地址，用于设置GPIO的PAD属性*/
#define gpio1_io04_pad_ctl_register  0x20E02F8


/*GPIO1_GDIR寄存器，用于设置GPIO为输入或者输出*/
#define  gpio1_gdir_register  0x0209C004
/*GPIO1_DR寄存器，用于设置GPIO输出的电平状态*/
#define  gpio1_dr_register  0x0209C000

从上表中可以看出CCM_CCGR1[26:27]用于使能GPIO1的时钟，这里不仅仅设置时钟的开或者关， 还可以设置在芯片在不同工作模式下的时钟状态如下表：

CCM_CCGR1[26:27]的值 时钟状态描述
00 时钟在所有模式下都是关闭的
01 时钟在运行模式下为开，但在等待和停止模式下为关
10 保留
11 除停止模式外，时钟一直开启

我们将CCM_CCGR1[26:27]设置为11（二进制）即可。仔细观察可以发现发现CCM_CCGR1寄存器默认全为1，即默认开启了时钟。 为了程序规范我们再次使用代码开启时钟。将CCM_CCGR1寄存器设置全为1。

ldr r0, =gpio1_clock_enible_ccm_ccgr1 从存储器Rn+offset（即gpio1_clock_enible_ccm_ccgr1）的位置读取数据存放到r0中。
str r1, [r0] 将r1中的数据写入到存储器中的Rn+offset（即r0的指向）位置。

/*************************第七部分*************************/
light_led:
   /*开启GPIO1的时钟*/
   ldr r0, =gpio1_clock_enible_ccm_ccgr1
   ldr r1, =0xFFFFFFFF
   str r1, [r0]

从上图可知IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO04[MUX_MODE]=0101(二进制)时GPIO1_04复用功能是GPIO。所以在程序中我们将0x5写入该寄存即可。

/*************************第八部分*************************/
   /*将PAD引脚复用为GPIO*/
   ldr r0, =gpio1_io04_mux_ctl_register
   ldr r1, =0x5
   str r1, [r0]

/*************************第九部分*************************/
   /*设置GPIO PAD属性*/
   ldr r0, =gpio1_io04_pad_ctl_register
   ldr r1, =0x1F838
   str r1, [r0]

/*************************第十部分*************************/
   /*将GPIO_GDIR.[4] 设置为1， gpio1_io04设置为输出模式*/
   ldr r0, =gpio1_gdir_register
   ldr r1, =0x10
   str r1, [r0]

/*************************第十一部分*************************/
   /*将GPIO_DR 设置为0， gpio1全部输出为低电平*/
   ldr r0, =gpio1_dr_register
   ldr r1, =0x0
   str r1, [r0]

/*************************第十二部分*************************/
   /*跳出light_led函数，返回跳转位置*/
   mov pc, lr

五、编译下载验证

5.1 编译生成.bin文件

5.1.1 编译文件

编译出在ARM开发板上运行的可执行文件，所以要使用我们安装的交叉编译器arm-linux-gnueabihf-gcc来编译。 编译出的led.o文件并不是我们可以下载到开发板中运行的文件，一个工程中所有的C文件和汇编文件都会编译生成一个对应的.o文件，我们需要将这.o文件链接起来组合成可执行文件。

arm-none-eabi-gcc -g -c led.S -o led.o

5.1.2 链接文件

arm-linux-gnueabihf-ld用来将众多的.o文件链接到一个指定的链接地址。这里我们要区分“存储地址”和“运行地址”这两个概念，“存储地址”就是可执行文件存储在哪里，可执行文件的存储地址可以随意选择。“运行地址”就是代码运行的时候所处的地址，这个我们在链接的时候就已经确定好了，代码要运行，那就必须处于运行地址处，否则代码肯定运行出错。比如I.MX6ULL支持SD卡、EMMC、NAND启动，因此代码可以存储到SD卡、EMMC或者NAND中，但是要运行的话就必须将代码从SD卡、EMMC或者NAND中拷贝到其运行地址(链接地址)处，“存储地址”和“运行地址”可以一样，比如STM32的存储起始地址和运行起始地址都是0X08000000。上电以后I.MX6ULL的内部boot rom程序会将可执行文件拷贝到链接地址处，这个链接地址可以在I.MX6UL的内部128KB RAM中(0X900000~0X91FFFF)，也可以在外部的DDR中。led.elf 文件也不是我们最终烧写到SD卡中的可执行文件，我们要烧写的.bin文件，因此还需要将led.elf文件转换为.bin文件。

arm-none-eabi-ld -Ttext 0x80000000 led.o -o led.elf

5.1.3 格式转换

上一步链接生成的.elf文件是带有地址信息的文件，不能放在存储器中执行，要使用格式转换命令转化为二进制文件。

arm-none-eabi-objcopy -O binary -S -g led.elf led.bin

5.1.4 反汇编（可跳过）

大多数情况下我们都是用C语言写试验例程的，有时候需要查看其汇编代码来调试代码，因此就需要进行反汇编，一般可以将elf文件反汇编。

arm-linux-gnueabihf-objdump -D led.elf > led.dis

5.2 代码烧写

编译成功后会在当前文件夹下生成.bin文件，这个.bin文件也不能直接放到开发板上运行， 这次是因为需要在.bin文件缺少启动相关信息。

为二进制文件添加头部信息并烧写到SD卡。查看 IMX6ULL学习笔记（12）——通过SD卡启动官方SDK程序

进入烧写工具目录，执行 ./mkimage.sh <烧写文件路径> 命令，例如要烧写的 led.bin 位于 home 目录下，则烧写命令为 ./mkimage.sh /home/led.bin。

执行上一步后会列出linux下可烧写的磁盘，选择你插入的SD卡即可。这一步 非常危险！！！一定要确定选择的是你插入的SD卡！！，如果选错很可能破坏你电脑磁盘内容，造成数据损坏！！！ 确定磁盘后SD卡以“sd”开头，选择“sd”后面的字符即可。例如要烧写的sd卡是“sdb”则输入“b”即可。

5.3 实验现象

将开发板设置为SD卡启动，接入SD卡，开发板上电，正常情况下可以看到开发板RGB灯红灯亮。

• 由 Leung 写于 2022 年 12 月 12 日

• 参考：4. 汇编点亮LED灯

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