[嵌入式]【i.MX6ULL】驱动开发3——GPIO寄存器配置原理

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：

• 裸机系统：汇编操作寄存器点灯、C语言操作寄存器点灯
• 跑Linux系统：字符驱动LED点灯、设备树驱动LED点灯

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。

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:

• 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。
  • 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：

  • HYS 滞后使能：i.MX6ULL的输入检测可以使用普通的 CMOS 检测或施密特触发器模式（滞后模式）。

• 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。

  • PUS 上下拉配置：可选为100K欧下拉以及22K欧、47K欧及100K欧上拉。
  • 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。
  • 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:

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：

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。

• 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。

• 当GPIO被配置为输出模式后，向指定的位写入数据那么相应的IO就会输出相应的高低电平，例如，要设置GPIO5_IO03输出低电平，那么就应该设置 GPIO5.DR=0x08。

• 当 GPIO被配置为输入模式后，此寄存器就保存着对应IO的电平值，每个位对对应一个GPIO，例如，当GPIO5_IO03这个引脚接地的话，那么 GPIO5.DR 的bit3就是0。

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：

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。

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：

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：

• 使能 GPIO 对应的时钟
• 配置MUX寄存器，设置IO的复用功能，使其复用为GPIO功能
• 配置PAD寄存器，设置 IO 的上下拉、速度等
• 配置GPIO的各种寄存器（DR、GDIR、…），设置输入/输出、是否使用中断、默认输出电平等

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。

本文用到的i.MX6ULL数据手册PDF已上传至我的gitee仓库