大家好,我是痞子衡,是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是i.MXRT上的普通GPIO与高速GPIO差异

  GPIO 可以说是 MCU 上最简单最常用的外设模块了,当一些原生功能外设接口模块不能满足项目设计要求时,我们常常会考虑使用 GPIO 来软件模拟实现相应功能,这时候 GPIO 本身性能就显得至关重要了。

  在早期的 i.MXRT1015/1020/1024/1050 型号上,GPIO 都是普通性能(注意这里的普通其实相比一般低端 MCU 来说已经够性能优越了),考虑到 i.MXRT 是性能怪兽,需要配置更强的 GPIO,因此在后续的 i.MXRT1010/1060/1064/1160/1170 型号上,出现了 HSGPIO,今天痞子衡就跟大家聊一聊 GPIO 和 HSGPIO差异:

一、HSGPIO是什么?

  HSGPIO 是 High-Speed GPIO 缩写,有时候也叫紧耦合 GPIO 或者单时钟周期 GPIO,简单说就是其模块(IP)时钟源速度高于普通 GPIO 时钟源,因此我们可以以更高频率访问其模块寄存器。下表列出了 i.MXRT 各型号上 HSGPIO 分布:

型号 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

  我们以 i.MXRT1060 为例,翻看其参考手册 CCM 时钟模块章节,可以看到普通 GPIO1-5 的时钟源是 IPG_CLK_ROOT、而高速 GPIO6-9 的时钟源则是 AHB_CLK_ROOT:

  在 i.MXRT1060 上 IPG_CLK_ROOT 最高频率是 150MHz、而 AHB_CLK_ROOT 即内核频率,可到 600MHz,所以单从时钟源角度来看,HSGPIO 访问性能应是 GPIO 的四倍:

二、共享 PAD 设计

  从芯片内部来说,GPIO 与 HSGPIO 模块是独立的,但是因为芯片外部引脚(PAD)资源有限,因此部分 HSGPIO 是与 GPIO 模块共享 PAD 的,最终 I/O 实际性能其实受限于同一个物理 PAD 特性。

  我们以封装最简单的 i.MXRT1010 为例,下图最左侧列出了全部的 PAD,其中 GPIO_SD[13:0] 是 HSGPIO 专用引脚,而 GPIO[13:0]、GPIO_AD[14:0] 则是 GPIO 与 HSGPIO 复用引脚,当这些 GPIO/HSGPIO 复用引脚被配置为 GPIO 功能时,它们既可以映射到 GPIO1(普通GPIO),也可以映射到 GPIO2(HSGPIO):

  • Note:如果已经将 GPIO_SD[13:0] 配置为了 GPIO2,则不要再将 GPIO[13:0] 配置为 HSGPIO,会发生冲突。

  具体 GPIO 映射功能是由 IOMUXC_GPR26 寄存器来控制的(注意这是个软复位不置位的寄存器)。比如当 GPIO_11 被配置为了 GPIOMUX_IO11 功能时,那么 IOMUXC_GPR26[11] 决定了其映射关系:

IOMUXC_GPR26[11] = 0,则 GPIO_11 对应 GPIO1[11],为普通 GPIO
IOMUXC_GPR26[11] = 1,则 GPIO_11 对应 GPIO2[11],为 HSGPIO

  下表列出了 i.MXRT 各型号上 GPIO/HSGPIO 切换控制关系:

型号 PAD切换控制寄存器 ALT功能名 对应切换GPIO
i.MXRT1010 IOMUXC_GPR->GPR26 GPIO_MUX GPIO1与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与GPIO6

GPIO2与GPIO7

GPIO3与GPIO8

GPIO4与GPIO9
i.MXRT1160/1170 IOMUXC_GPR->GPR40、41

IOMUXC_GPR->GPR42、43
GPIO_MUX2

GPIO_MUX3
GPIO2与CM7_GPIO2

GPIO3与CM7_GPIO3

三、PAD 运行速度

  前面讲了,不管是使能了普通 GPIO 还是 HSGPIO,最终都是由同一个物理 PAD 来输出信号,因此 I/O 实际性能最终受限于这个 PAD 最大运行速度。

  继续以 i.MXRT1010 为例,每个 PAD 在 IOMUXC 模块里都有一个专门配置电气属性的寄存器 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_xxIO,选取 GPIO_11 的相应配置寄存器为例,组合其中 SRE、DSE、SPEED 位可以得到不同运行速度(具体组合值可在参考手册 GPIO 章节搜索 Operating Frequency 小节查看),不过我们能看到 PAD 最大运行速度是 200MHz:

  在 i.MXRT1010 数据手册里,我们还可以看到更具体的 I/O 翻转时间测试:

四、HSGPIO 示例代码

  基于上面的理论知识,我们改造一下 i.MXRT1010 SDK 里的 \driver_examples\gpio\led_output 例程,加入如下 HSGPIO 相关代码,同样可以达到闪烁 LED 灯的功能。

  介绍了这么多,如果只是用 HSGPIO 控制小灯闪烁,似乎看不出性能差异,下一篇文章,痞子衡将用示波器为大家实测 GPIO 与 HSGPIO 极限翻转频率,再提前剧透一下,GPIO->DR_TOGGLE 和 GPIO->DR 寄存器实现 I/O 翻转效率还不一样哦。

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与高速GPIO差异痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~

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