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普通GPIO與高速GPIO差異在哪?

2021/11/08
1839
閱讀需 10 分鐘
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大家好,我是痞子衡,是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是i.MXRT上的普通GPIO與高速GPIO差異。

GPIO 可以說是 MCU 上最簡單最常用的外設(shè)模塊了,當一些原生功能外設(shè)接口模塊不能滿足項目設(shè)計要求時,我們常常會考慮使用 GPIO 來軟件模擬實現(xiàn)相應(yīng)功能,這時候 GPIO 本身性能就顯得至關(guān)重要了。

在早期的 i.MXRT1015/1020/1024/1050 型號上,GPIO 都是普通性能(注意這里的普通其實相比一般低端 MCU 來說已經(jīng)夠性能優(yōu)越了),考慮到 i.MXRT 是性能怪獸,需要配置更強的 GPIO,因此在后續(xù)的 i.MXRT1010/1060/1064/1160/1170 型號上,出現(xiàn)了 HSGPIO,今天痞子衡就跟大家聊一聊 GPIO 和 HSGPIO差異:

一、HSGPIO是什么?

HSGPIO 是 High-Speed GPIO 縮寫,有時候也叫緊耦合 GPIO 或者單時鐘周期 GPIO,簡單說就是其模塊(IP)時鐘源速度高于普通 GPIO 時鐘源,因此我們可以以更高頻率訪問其模塊寄存器。下表列出了 i.MXRT 各型號上 HSGPIO 分布:

型號 普通GPIO 高速GPIO
i.MXRT1010 GPIO1、GPIO5 GPIO2
i.MXRT1060/1064 GPIO1 - GPIO5 GPIO6 - GPIO9
i.MXRT1160/1170 GPIO1 - GPIO13 CM7_GPIO2、CM7_GPIO3

我們以 i.MXRT1060 為例,翻看其參考手冊 CCM 時鐘模塊章節(jié),可以看到普通 GPIO1-5 的時鐘源是 IPG_CLK_ROOT、而高速 GPIO6-9 的時鐘源則是 AHB_CLK_ROOT:

在 i.MXRT1060 上 IPG_CLK_ROOT 最高頻率是 150MHz、而 AHB_CLK_ROOT 即內(nèi)核頻率,可到 600MHz,所以單從時鐘源角度來看,HSGPIO 訪問性能應(yīng)是 GPIO 的四倍:

 

二、共享 PAD 設(shè)計

芯片內(nèi)部來說,GPIO 與 HSGPIO 模塊是獨立的,但是因為芯片外部引腳(PAD)資源有限,因此部分 HSGPIO 是與 GPIO 模塊共享 PAD 的,最終 I/O 實際性能其實受限于同一個物理 PAD 特性。

我們以封裝最簡單的 i.MXRT1010 為例,下圖最左側(cè)列出了全部的 PAD,其中 GPIO_SD[13:0] 是 HSGPIO 專用引腳,而 GPIO[13:0]、GPIO_AD[14:0] 則是 GPIO 與 HSGPIO 復用引腳,當這些 GPIO/HSGPIO 復用引腳被配置為 GPIO 功能時,它們既可以映射到 GPIO1(普通GPIO),也可以映射到 GPIO2(HSGPIO):

  • Note:如果已經(jīng)將 GPIO_SD[13:0] 配置為了 GPIO2,則不要再將 GPIO[13:0] 配置為 HSGPIO,會發(fā)生沖突。

具體 GPIO 映射功能是由 IOMUXC_GPR26 寄存器來控制的(注意這是個軟復位不置位的寄存器)。比如當 GPIO_11 被配置為了 GPIOMUX_IO11 功能時,那么 IOMUXC_GPR26[11] 決定了其映射關(guān)系:

IOMUXC_GPR26[11] = 0,則 GPIO_11 對應(yīng) GPIO1[11],為普通 GPIO  
IOMUXC_GPR26[11] = 1,則 GPIO_11 對應(yīng) GPIO2[11],為 HSGPIO

 

下表列出了 i.MXRT 各型號上 GPIO/HSGPIO 切換控制關(guān)系:

型號 PAD切換控制寄存器 ALT功能名 對應(yīng)切換GPIO
i.MXRT1010 IOMUXC_GPR->GPR26 GPIO_MUX GPIO1與GPIO2
i.MXRT1060/1064 IOMUXC_GPR->GPR26
           IOMUXC_GPR->GPR27
           IOMUXC_GPR->GPR28
           IOMUXC_GPR->GPR29
GPIO_MUX1
           GPIO_MUX2
           GPIO_MUX3
           GPIO_MUX4
GPIO1與GPIO6
           GPIO2與GPIO7
           GPIO3與GPIO8
           GPIO4與GPIO9
i.MXRT1160/1170 IOMUXC_GPR->GPR40、41
           IOMUXC_GPR->GPR42、43
GPIO_MUX2
           GPIO_MUX3
GPIO2與CM7_GPIO2
           GPIO3與CM7_GPIO3

三、PAD 運行速度

前面講了,不管是使能了普通 GPIO 還是 HSGPIO,最終都是由同一個物理 PAD 來輸出信號,因此 I/O 實際性能最終受限于這個 PAD 最大運行速度。

繼續(xù)以 i.MXRT1010 為例,每個 PAD 在 IOMUXC 模塊里都有一個專門配置電氣屬性的寄存器 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_xxIO,選取 GPIO_11 的相應(yīng)配置寄存器為例,組合其中 SRE、DSE、SPEED 位可以得到不同運行速度(具體組合值可在參考手冊 GPIO 章節(jié)搜索 Operating Frequency 小節(jié)查看),不過我們能看到 PAD 最大運行速度是 200MHz:

在 i.MXRT1010 數(shù)據(jù)手冊里,我們還可以看到更具體的 I/O 翻轉(zhuǎn)時間測試:

 

四、HSGPIO 示例代碼

基于上面的理論知識,我們改造一下 i.MXRT1010 SDK 里的 driver_examplesgpioled_output 例程,加入如下 HSGPIO 相關(guān)代碼,同樣可以達到閃爍 LED 燈的功能。

介紹了這么多,如果只是用 HSGPIO 控制小燈閃爍,似乎看不出性能差異,下一篇文章,痞子衡將用示波器為大家實測 GPIO 與 HSGPIO 極限翻轉(zhuǎn)頻率,再提前劇透一下,GPIO->DR_TOGGLE 和 GPIO->DR 寄存器實現(xiàn) I/O 翻轉(zhuǎn)效率還不一樣哦。

bool is_normal_gpio = false;

int main(void)
{
    BOARD_ConfigMPU();
    BOARD_InitBootClocks();

    /* Define the init structure for the output LED pin*/
    gpio_pin_config_t led_config = {kGPIO_DigitalOutput, 0, kGPIO_NoIntmode};

    CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Iomuxc);      
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0U); 
    if (is_normal_gpio)
    {
        // GPIO1
        IOMUXC_GPR->GPR26 &= ~(1u << 11);
        // Slow Slew Rate, 100MHz
        IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0x70A0U);
        GPIO_PinInit(GPIO1, 11, &led_config);
    }
    else
    {
        // GPIO2
        IOMUXC_GPR->GPR26 |= (1u << 11);
        // Fast Slew Rate, 200MHz
        IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0x70F9U);
        GPIO_PinInit(GPIO2, 11, &led_config);
    }

    while (1)
    {
        SDK_DelayAtLeastUs(100000, SDK_DEVICE_MAXIMUM_CPU_CLOCK_FREQUENCY);

        if (is_normal_gpio)
        {
            //GPIO1->DR_TOGGLE = (1u << 11);
            GPIO1->DR ^= (1u << 11);
            __DSB();
        }
        else
        {
            //GPIO2->DR_TOGGLE = (1u << 11);
            GPIO2->DR ^= (1u << 11);
            __DSB();
        }
    }
}

至此,i.MXRT上的普通GPIO與高速GPIO差異痞子衡便介紹完畢了,掌聲在哪里~~~

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電子產(chǎn)業(yè)圖譜

碩士畢業(yè)于蘇州大學電子信息學院,目前就職于恩智浦(NXP)半導體MCU系統(tǒng)部門,擔任嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用工程師。痞子衡會定期分享嵌入式相關(guān)文章