十一、S3C2440 裸机 — GPIO

11.1 GPIO 介绍

11.1.1 GPIO 管脚

GPIO 即是输入输出端口，S3C2440A 包含了 130 个多功能输入/输出口引脚并且它们为如下显示的八个端口：

• 端口 A（GPA）：25 位输出端口
• 端口 B（GPB）：11 位输入/输出端口
• 端口 C（GPC）：16 位输入/输出端口
• 端口 D（GPD）：16 位输入/输出端口
• 端口 E（GPE）：16 位输入/输出端口
• 端口 F（GPF）：8 位输入/输出端口
• 端口 G（GPG）：16 位输入/输出端口
• 端口 H（GPH）：9 位输入/输出端口
• 端口 J（GPJ）：13 位输入/输出端口

GPIO 的功能即是用于 CPU 采集外设信号（INPUT），CPU 输出控制信号（OUTPUT），还有一种功能称为管脚复用功能，即是 GPIO 用于其他信号功能，比如地址，串口等共呢个，GPIO 属于 SOC 的内部外设。

GPIO 的使用需要寄存器配置。

11.1.2 GPIO 寄存器

• 端口配置寄存器：GPACON --- GPJCON，即配置输入或是输出，还是配置为第三功能
• 端口数据寄存器：GPADAT---GPJDAT，用于数据的写入或读取
• 端口上拉寄存器：GPBUP---GPJUP，端口上拉寄存器控制每个端口组的使能/禁止上拉电阻。
  • 当相应位为 0 时使能引脚的上拉电阻。当为 1 时禁止上拉电阻。
  • 如果使能了上拉电阻，那么上拉电阻与引脚的功能设置无关（输入、输出、DATAn、EINTn 等等）
• 杂项控制寄存器：
  • 此寄存器控制睡眠模式，USB 引脚和 CLKOUT 选择的数据端口上拉电阻。
• 外部中断控制寄存器：
  • 24 个外部中断由各种信号方式触发。
  • EXTINT 寄存器为外部中断请求配置信号触发方式为低电平触发、高电平触发、下降沿触发、上升沿触发或双边沿触发。
  • 由于每个外部中断引脚包含一个数字滤波器，中断控制可以确认请求信号是否长于 3 个时钟。

11.2 GPIO 控制 LED 

11.2.1 原理图

　　

　　

• 从原理图上可以看出，三个灯的控制是由 GPF4 - GPF6 控制的。
• 由于 LED 由 3.3V 高电平供电，则 GPF4- GPF6 引脚必须要设置为低电平，形成压差点亮 LED

11.2.2 GPF 控制寄存器

• GPF 主要涉及到三个寄存器：
  • GPFCON：端口配置寄存器，配置各个 I/O 管脚是输入/输出功能，还是第三功能，此寄存器的地址是 0x56000050
  • GPFDAT：数据寄存器，用于管脚发送或是接收数据，地址是 0x56000054
  • GPFUP：上拉寄存器，地址为 0x56000058，需要才用这个寄存器
• 注意 GPF 控制器的复位值，初始化值即是此值。
• 具体配置查看芯片手册

11.3 汇编控制 LED

•  指令的执行时间：
  • 一般单片机指令执行时间是固定的，参考手册，而在高性能的嵌入式 SOC 中，指令执行时间与各方面的因素有关，比如：缓存，内存，硬盘上的传输开销，指令开销，所以在高性能 SOC 上讨论指令的执行时间没有意义。
  • 考虑到多发射、超标量、超流水线、乱序执行、追踪缓存等设计越来越复杂，仅评价单条指令耗时比单片机要困难得多
  • 更由意义的指标是经过统计分析的 CPI、MIPS 数据。
  • 1MHz = 1us
  • 1GHz = 1ns
• 一般情况下，裸机中精确延时采用定时器，如果延时在 20 us 下的话，定时器不是太合适，需要汇编辅助完成
• 如果更小的时间要求，那么表示硬件无法满足当前需求

11.4 C语言控制 LED

 makefile

# 获取当前工作目录
CURRDIR = $(shell pwd)

# 头文件所在目录
INCDIR = $(CURRDIR)

# 交叉编译工具链的绝对路径
CROSS_COMPILE = ~/work/s3c2440/tools/gcc-3.4.5-glibc-2.3.6/bin/arm-linux-

# 编译器工具
AS            = $(CROSS_COMPILE)as
LD            = $(CROSS_COMPILE)ld
CC            = $(CROSS_COMPILE)gcc
CPP            = $(CC) -E
AR            = $(CROSS_COMPILE)ar
NM            = $(CROSS_COMPILE)nm
STRIP        = $(CROSS_COMPILE)strip
OBJCOPY        = $(CROSS_COMPILE)objcopy
OBJDUMP        = $(CROSS_COMPILE)objdump

# 编译器标识位设置
CFLAGS :=
AFLAGS :=
LDFLAGS :=
CFLAGS    :=
AFLAGSL    :=

# 目标文件设置
objs := startup.o led.o

all: clean s3c2440.bin


# 执行编译的过程
s3c2440.bin: $(objs)
    $(LD) -Ttext 0x00000000 -o s3c2440_elf $^
    $(OBJCOPY) -O binary -S s3c2440_elf $@
    $(OBJDUMP) -D -m arm s3c2440_elf > s3c2440.dis


%.o:%.c
    $(CC)  -Wall -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -ffreestanding -c -o $@ $<

%.o:%.S
    $(CC)  -Wall -Wstrict-prototypes -O2 -fomit-frame-pointer -ffreestanding -c -o $@ $<

clean:
    rm -f *.bin *_elf *.dis *.o

startup.S

.text
.global _start

_start:
    ldr    r0, =0x53000000         @ WATCHDOG寄存器地址
    mov    r1, #0x0
    str    r1, [r0]                @ 写入0，禁止WATCHDOG，否则CPU会不断重启

    ldr sp, =1024*4             @ 设置堆栈，注意：不能大于4k, 因为现在可用的内存只有4K
                                @ nand flash中的代码在复位后会移到内部ram中，此ram只有4K

    bl main                     @ 调用 C 程序的 main 函数

halt_loop:
    b halt_loop

led.c

/**
 * 将0x56000050 强转为 unsigned long 型指针，并取这个地址的值
 * volatile 关键字：防止编译器优化，在应用层上多线程变量，在嵌入式中外设寄存器
 */
#define GPFCON      (*(volatile unsigned long *)0x56000050)
#define GPFDAT      (*(volatile unsigned long *)0x56000054)
#define GPFUP       (*(volatile unsigned long *)0x56000058)

/** 设置 GPFCON 的 4 5 6 引脚为输出 */
#define GPF4_OUT    (1 << (4 * 2))
#define GPF5_OUT    (1 << (5 * 2))
#define GPF6_OUT    (1 << (6 * 2))

static void delay_ms(unsigned long ms);

int main(void)
{
    /** 将LED1-3对应的GPF4/5/6三个引脚设为输出 */
    GPFCON = GPF4_OUT | GPF5_OUT | GPF6_OUT;

    unsigned long i = 0;
    while(1){
        delay_ms(500);
        GPFDAT = (~(i<<4));         // 根据i的值，点亮LED1,2,4
        if(++i == 8)
            i = 0;
    }
}

static void delay_ms(unsigned long ms)
{
    unsigned int i;

    while(ms--) {
        for(i = 0; i < 1200; i++);
    }
}