2020年03月25日 | tiny4412开发板GPIO试验

GPIO(General Purpose I/O Ports)意思为通用输入/输出端口，通俗地说，就是一些引脚，可以通过它们输出高低电平、或者通过它们读入引脚的状态——是高电平还是低电平。

三星Exynos4412，它有304个 GPIO，分为GPA0、GPA1、GPB、GPC0、GPC1等共37组。可以通过设置寄存器来确定某个引脚用于输入、输出还是其它特殊功能。比如可以设置GPC0、GPC1作为一般的输入引脚、输出引脚，或者用于AC97、SPDIF、I2C、SPI口。

GPIO的操作是所有硬件操作的基础，由此扩展开来可以了解所有硬件的操作，这是底层开发人员必须掌握的。

Exynos4412芯片的GPIO寄存器：

既然一个引脚可以用于输入、输出或其它特殊功能，那么一定有寄存器用来选择这些功能；对于输入，一定可以通过读取某个寄存器来确定引脚的电平是高还是低；对于输出，一定可以通过写入某个寄存器来让这个引脚输出高电平或低电平；对于其它特殊功能，则有另外的寄存器来控制它——这些特殊功能现在先不关注。

如上推测，对于这几组GPIO引脚，它们的寄存器是相似的：GPXXCON用于选择引脚功能，GPXXDAT用于读/写引脚数据；另外，GPXXPUD用于确定是否使用内部上拉/下拉电阻。

GPXXCON寄存器：

从寄存器的名字即可看出，它用于"配置"(Configure)——选择引脚的功能。该寄存器中，使用4位来配置1个引脚。比如下图1：

图1. GPIO配置寄存器

当GPA0CON的bit[31:28]值为0b0000时，引脚GPA0被设置为输入引脚；

当GPA0CON的bit[31:28]值为0b0001时，引脚GPA0被设置为输出引脚；

当GPA0CON的bit[31:28]值为0b0010时，引脚GPA0被设置为特殊功能UART引脚；

当GPA0CON的bit[31:28]值为0b0011时，引脚GPA0被设置为特殊功能I2C引脚；

当GPA0CON的bit[31:28]值为0b1111时，引脚GPA0被设置为中断引脚。

GPXXDAT寄存器：

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令此引脚输出高电平或低电平。

GPXXPUD寄存器：

使用2位来控制1个引脚：值为0b00时，相应引脚无内部上拉/下拉电阻；值为0b01时，使用内部下拉电阻；值为0b11时，使用内部上拉电阻；0b10为保留值。

所谓上拉电阻、下拉电阻，如图2所示：

图2. 上拉电阻和下拉电阻

上拉电阻、下拉电阻的作用在于，当GPIO引脚处于第三态(既不是输出高电平，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、下阻电阻确定。

怎样使用软件来访问硬件：

单引脚的操作无外乎三种：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。

比如对于图3的电路，可以设置GPM4CON寄存器将GPM4_0、GPM4_1、GPM4_2和GPM4_3设为输出功能，然后写GPM4DAT寄存器的相应位使得这4个引脚输出高电平或低电平：输出低电平时，相应的LED点亮；输出高电平时，相应的LED熄灭。

还可以设置GPX3CON寄存器将GPX3_2、GPX3_3、GPX3_4、GPX3_5设为输入功能，然后通过读出GPX3DAT寄存器并判断bit2、bit3、bit4、bit5是0还是1来确定按键是否被按下：按键被按下时，相应引脚电平为低，相应位为0；否则为1。

那么，怎么访问这些寄存器呢？通过软件，读写它们的地址。比如，Exynos4412的GPM4CON、GPM4DAT寄存器地址分别是0x110002E0、0x110002E4，可以通过如下的指令让GPM4_0输出低电平，点亮LED1：

#define GPM4CON (*(volatile unsigned long *)0x110002E0)

#define GPM4DAT (*(volatile unsigned long *)0x110002E4)

#define GPM40_OUT (1<<0)

#define GPM40_MSK (0xf<<0)

GPM4CON &= ~GPM40_MSK; //GPM4_0引脚对应的4位清零(因为我们不知道它原来的值是多少，清零最可靠)

GPM4CON |= GPM40_OUT; //GPM4_0引脚设为输出

GPM4DAT &= ~(1<<0); //GPM4_0输出低电平

图3. LED与按键连线图

以某种协议的接口访问硬件：

比如UART、I2C、SPI等接口，我们只需要根据协议要求做好相关设置，然后把数据填入某个寄存器，这类接口部件就会把数据按某种格式发送出去。

如图4所示，以UART为例：设置好UART的波特率等格式后，把要发送的数据写入UART的寄存器，UART控制器就会把数据逐位发送出去。

图4. 协议类接口示例UART

GPIO操作实例：LED和按键：

从这节开始，将涉及在单板上运行程序了，下面用几个例子由简到繁地介绍。LED和按键与处理器的电路连接如图3所示。

本小节有3个实例，通过读写GPIO寄存器来驱动LED、获得按键状态。先使用汇编程序编写一个简单的点亮LED的程序，然后使用C语言实现了更复杂的功能。

示例1：使用汇编代码点亮一个LED

只是简单地点亮发光二极管LED1。本实例的目的是让读者对开发流程有个基本概念。

主要有三个文件，首先，是led.S文件，里面全是汇编语言来完成的。已经做了详细的注释，不再讲解。

.text //表示下面的代码是text段

.global _start //定义个全局标号

_start:

//设置GPM4_0为输出引脚

ldr r0, =0x110002E0 //将0x110002E0数字保存的R0寄存器中

ldr r1, [r0] //将R0中保存的0x110002E0地址中的数据取出来,保存到R1寄存器

bic r1, r1, #0xF //将R1寄存器中的数据低四位清零

orr r1, r1, #0x01 //将R1寄存器中的数据bit0置1

str r1, [r0] //将R1寄存器中的数据保存到R0寄存器中的数据表示的地址中

//设置GPM4_0输出低电平

ldr r0, =0x110002E4 //将0x110002E4数字保存的R0寄存器中

ldr r1, [r0] //将R0中保存的0x110002E4地址中的数据取出来,保存到R1寄存器

bic r1, r1, #0x1 //将R1寄存器中的数据bit0清零

str r1, [r0] //将R1寄存器中的数据保存到R0寄存器中的数据表示的地址中

halt: //死循环

b halt

值得注意的是：要修改寄存器的某些位时，最好先把原值读出并修改这些位，再把值写回去。寄存器里每位都有它的作用，这样做可以避免影响到其他位。

下面的是链接脚本文件leds.lds中的内容；很简单，如果有不明白的可以网上查询。

SECTIONS {

. = 0x02023400; //链接地址,也就是说,希望程序运行在此地址

.text : { *(.text) } //代码段

.rodata ALIGN(4) : {*(.rodata)} //只读数据段

.data ALIGN(4) : { *(.data) } //数据段

.bss ALIGN(4) : { *(.bss) *(COMMON) } //bss段

}

最后，介绍Makefile文件的内容：

led.bin : led.S

arm-linux-gcc -c -o led.o led.S #预处理、编译、汇编，不链接

arm-linux-ld -Tleds.lds -g led.o -o led.elf #链接

arm-linux-objcopy -O binary -S led.elf led.bin #将ELF格式文件转换为BIN文件

arm-linux-objdump -D led.elf > led.dis #反汇编

clean:

rm *.o *.elf *.dis *.bin

make指令比较第1行中文件led.bin和文件led.S的时间，如果led.S的时间比led.bin的时间新(led_on.bin未生成时，此条件默认成立)，则执行第2~5行的命令重新生成led.bin及其他文件。也可以不用指令make，而直接一条一条地执行2~5行的指令——但是这样效率比较低。

第2行的指令是编译，第3行是连接，第4行是把ELF格式的可执行文件led.elf转换成二进制格式文件led.bin，第5行是得到它的反汇编文件(目前没用到该文件)。

执行"make clean"时强制执行第7行的删除命令。

注意：Makefile文件中相应的命令行前一定要有一个制表符(TAB)。

如果对Makefile中每句是详细意思，请参考交叉编译工具链的使用。

现在，来介绍将led.bin文件烧写到SD卡中，然后插入到开发板的SD卡槽中，设置启动模式，然后开启电源运行。

把SD卡接入读卡器，让VMware软件位于窗口最前面，然后把读卡器接入电脑。

点击VMware菜单"VM"->"Removable Devices"，找到新出现的USB存储设备，点击"Connect"。

注意：如果菜单里没有新的设备出现，原因是VMware的USB服务未启动。可用以下方式启动：打开"控制面板"->"系统和安全"->"管理工具"->"服务"，找到"VMware USB Arbitration Service"，双击启动它。然后重启VMware软件。

然后执行以下命令，一般最后一个"不带数字的"设备节点就是SD卡的设备名：

$ ls /dev/sd*

输出示例：

brw-rw---- 1 root disk 8,  0 Nov 18 09:22 /dev/sda

brw-rw---- 1 root disk 8,  1 Nov 18 09:22 /dev/sda1

brw-rw---- 1 root disk 8,  2 Nov 18 09:22 /dev/sda2

brw-rw---- 1 root disk 8,  5 Nov 18 09:22 /dev/sda5

brw-rw---- 1 root disk 8, 16 Nov 18 17:42 /dev/sdb

brw-rw---- 1 root disk 8, 17 Nov 18 17:42 /dev/sdb1

在上面的输出示例中，/dev/sdb就是该卡的设备名。

首先，将led.bin文件拷贝到sd_fusing.sh文件的目录下，也就是同一个目录。执行如下命令将led.bin写入SD卡：

$ sudo sd_fusing.sh /dev/sdb led.bin

注意看该命令的输出信息，若有"source file image is fused successfully."即表示烧写成功。否则请根据错误信息解决。

注意：sd_fusing.sh的作用后面会详细讲解。

把SD卡取下接到开发板上，开发重新上电即可看到LED1灯被点亮了。

汇编语言可读性太差，这次用C语言来实现了同样的功能，而以后的实验也尽量用C语言实现。

示例2：使用C语言代码点亮一个LED

C语言程序执行的第一条指令，并不在main函数中。生成一个C程序的可执行文件时，编译器通常会在我们的代码中加上几个被称为启动文件的代码——crt1.o、crti.o、crtend.o、crtn.o等，它们是标准库文件。这些代码设置C程序的堆栈等，然后调用main函数。它们依赖于操作系统，在裸板上这些代码无法执行，所以需要自己写一个。

led.S中的代码很简单，关键指令只有2条。文件内容如下：

.text

.global _start

_start:

ldr sp, =0x02027400 //调用C函数之前必须设置栈,栈用于保存运行环境,给局部变量分配空间;

//参考ROM手册P14,我们把栈指向BL2的最上方;

//即:0x02020000(iROM基地址)+5K(iROM代码用)+8K(BL1用)+16K(BL2用)

bl main //跳转到C函数中执行

halt: //死循环

b halt

它在第4行设置好栈指针后，就可以通过第8行调用C函数main了──C函数执行前，必须设置栈。

现在，可以很容易写出控制LED的程序了。main函数在main.c文件中，代码如下：

//定义两个宏，方便操作使用到的寄存器

#define GPM4CON (*(volatile int *)0x110002E0)

#define GPM4DAT (*(volatile int *)0x110002E4)

int main()

{

//设置GPM4_0引脚为输出

GPM4CON &= ~0xF; //GPM4CON寄存器的低4位清零

GPM4CON |= 0x1; //GPM4CON寄存器的bit0置1,设置为输出引脚

//设置GPM4_0引脚为低电平

GPM4DAT &= ~0x1; //GPM4DAT寄存器bit0清零,输出低电平

return 0;

}

程序很简单，值得一提的是寄存器的操作方法。以GPM4CON为例，它被定义为：

#define GPM4CON (*(volatile unsigned int *)0x110002E0)

要理解上述宏定义，先看看以下代码：

int a;

int *p;

p = &a;

*p = 123;

指针p指向变量a，即p等于变量a的地址，假设a的地址为0xAABB，那么相当于：

int *p = (int *)0xAABB

要修改地址为0xAABB的内存值为0x123，只需要执行：

*p = 0x123;

要偷懒，连"*"号都不想写，怎么做呢：

#define PP (*(int *)0xAABB)

PP = 0x123;

所以，读写GPM4CON的实质，就是读写地址为0x110002E0的空间。

最后来看看Makefile:

led.bin : led.S main.c

arm-linux-gcc -c -o led.o led.S #预处理、编译、汇编、不链接

arm-linux-gcc -c -o main.o main.c #预处理、编译、汇编、不链接

arm-linux-ld -Tleds.lds -g led.o main.o -o led.elf

arm-linux-objcopy -O binary -S led.elf led.bin

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

clean:

rm *.o *.elf *.dis *.bin

和上面那个Makefile文件几乎没有差别，这里不做详细介绍。

最后，执行make命令生成可执行文件 led.bin。然后，使用上面介绍的烧写SD卡的方法，将其烧写到SD中，插入SD卡到开发板，上电运行。查看LED1被点亮。

示例3：使用按键来控制LED

程序功能为：按下K1/K2/K3/K4则点亮LED1/LED2/LED3/LED4，松开按键则熄灭相应的LED——即用按键来控制灯。

key.c文件的代码如下：

#define GPM4CON (*(volatile int *)0x110002E0)

#define GPM4DAT (*(volatile int *)0x110002E4)

#define GPX3CON (*(volatile int *)0x11000C60)

#define GPX3DAT (*(volatile int *)0x11000C64)

int main()

{

unsigned int val = 0;

int i;

//配置GPM4CON的0~3引脚为输出

GPM4CON &= ~(0xFFFF);

GPM4CON |=   0x1111;

//配置GPX3CON的2~5引脚为输入

GPX3CON &= ~(0xFFFF00);

while(1)

{

val = GPX3DAT;

if(val & (1<<2))

{

GPM4DAT |= (0x1 << 0);

}else{

GPM4DAT &= ~(0x1 << 0);

}

if(val & (1<<3))

{

GPM4DAT |= (0x1 << 1);

}else{

GPM4DAT &= ~(0x1 << 1);

}

if(val & (1<<4))

{

GPM4DAT |= (0x1 << 2);

}else{

GPM4DAT &= ~(0x1 << 2);

}

if(val & (1<<5))

{

GPM4DAT |= (0x1 << 3);

}else{

GPM4DAT &= ~(0x1 << 3);

}

}

return 0;

}

上面的程序很简单，首先，设置GPM4的0/1/2/3引脚为输出，配置GPX3CON的2~5引脚为输入；然后再while循环里面判断是否有KEY按下，如果有则点亮相应的LED。不做详细解读。

按前述方法把led.bin烧入SD卡，并用它来启动开发板；

按下/松开KEY1/2/3/4，观察LED1/2/3/4的状态。

好了，本文基本介绍完了。但是，应该有人会有疑问，为什么把链接地址设置为0x02023400，从SD卡启动时的CPU启动流程是什么？ 以及烧写脚本是干什么的等等疑问？那我们就在下篇文章中做详细的解读。