概述
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-是高电平或是低电平。
GPIO口一是个比较重要的概念，用户可以通过GPIO口和硬件进行数据交互(如UART)，控制硬件工作(如LED、蜂鸣器等),读取硬件的工作状态信号（如中断信号）等。GPIO口的使用非常广泛。
GPIO的优点(端口扩展器)
- 低功耗：GPIO具有更低的功率损耗(大约1µA，µC的工作电流则为100µA)。
- 集成I²C从机接口：GPIO内置I²C从机接口，即使在待机模式下也能够全速工作。
- 小封装：GPIO器件提供最小的封装尺寸—3mm x 3mm QFN!
- 低成本：您不用为没有使用的功能买单！
- 快速上市：不需要编写额外的代码、文档，不需要任何维护工作！
- 灵活的灯光控制：内置多路高分辨率的PWM输出。
- 可预先确定响应时间：缩短或确定外部事件与中断之间的响应时间。
- 更好的灯光效果：匹配的电流输出确保均匀的显示亮度。
- 布线简单：仅需使用2条I²C总线或3条SPI总线。
S3C2410共有117个I/O端口，共分为A~H共8组：GPA、GPB、...、GPH。S3C2440共有130个I/O端口，分为A~J共9组：GPA、GPB、...、GPJ。可以通过设置寄存器来确定某个引脚用于输入、输出还是其他特殊功能。比如：可以设置GPH6作为输入、输出、或者用于串口。
1 GPIO硬件介绍
1.1 通过寄存器来操作GPIO引脚
GPxCON用于选择引脚功能，GPxDAT用于读/写引脚数据；另外，GPxUP用于确定是否使用内部上拉电阻。x为B、...、 H/J，没有GPAUP寄存器。
1.1.1 GPxCON寄存器
从寄存器的名字可以看出，它用于配置（Configure）-选择引脚功能。
PORTA与PORTB~PORT H/J在功能选择方面有所不同，GPACON中每一位对应一根引脚（共23根引脚）。当某位被设为0时，相应引脚为输出引脚，此时我们可以在GPADAT 中相应位写入0或是1让此引脚为低电平或高电平；当某位被设为1时，相应引脚为地址线或用于地址控制，此时GPADAT无用。一般而言，GPACON通常 被设为全1，以便访问外部存储器件。
PORT B~ PORT H/J在寄存器操作方面完全相同。GPxCON中每两位控制一根引脚：00表示输入、01表示输出、10表示特殊功能、11保留不用。
1.1.2 GPxDAT寄存器
GPxDAT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以令此引脚输出高电平或是低电平。
1.1.3 GPxUP寄存器
GPxUP：某位为1时，相应引脚无内部上拉电阻；为0时，相应引脚使用内部上拉电阻。
上拉电阻的作用在于：当GPIO引脚处于第三态（即不是输出高电平，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、下拉电阻确定。
1.2 访问硬件
1.2.1 访问单个引脚
单个引脚的操作无外乎3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。
访问这些寄存器是通过软件来读写它们的地址。比如：S3C2410和S3C2440的GPBCON、GPBDAT寄存器地址都是0x56000010、0x56000014，可以通过如下的指令让GPB5输出低电平。
#define GPBCON (*volatile unsigned long *)0x56000010) //long=int 4字节；char 1字节；short 2字节
#define GPBDAT (*volatile unsigned long *)0x56000014)
#define GPB5_out (1<<(582))
GPBCON = GPB5_out;
GPBDAT &= ~(1<<5);
1.2.2 以总线方式访问硬件
并非只能通过寄存器才能发出硬件信号，实际上通过访问总线的方式控制硬件更为常见。如下图所示S3C2410/S3C2440与NOR Flash的连线图，读写操作都是16位为单位。
图中缓冲器的作用是以提搞驱动能力、隔离前后级信号。NOR Flash（AM29LV800BB）的片选信号使用nGCS0信号，当CPU发出的地址信号处于0x00000000~0x07FFFFFF之间 时，nGCS0信号有效（为低电平），于是NOR Flash被选中。这时，CPU发出的地址信号传到NOR Flash；进行写操作时，nWE信号为低，数据信号从CPU发给NOR Flash；进行读操作时，nWE信号为高，数据信号从NOR Flash发给CPU。
ADDR1~ADDR20 ------------------> >--------------------A0~A19
DATA0~DATA15 <-----------------> <------------------->D0~D15
nOE ------------------> -------------------->nOE
nWE ------------------> -------------------->nWE
nGCS0 ------------------> -------------------->nCE
S3C2410/S3C2440 缓冲器 NOR Flash（AM29LV800BB）
软件如何发起写操作呢，下面有几个例子的代码进行讲解。
1）地址对齐的16位读操作
unsigned short *pwAddr = (unsigned short *)0x2;
unsigned short uwVal;
uwVal = *pwAddr;
上述代码会向NOR Flash发起读操作：CPU发出的读地址为0x2，则地址总线ADDR1~ADDR20、A0~A19的信号都是1、0...、0（CPU的ADDR0 为0，不过ADDR0没有接到NOR Flash上）。NOR Flash的地址就是0x1，NOR Flash在稍后的时间里将地址上的16位数据取出，并通过数据总线D0~D15发给CPU。
2）地址位不对齐的16位读操作
unsigned short *pwAddr = (unsigned short *)0x1;
unsigned short uwVal;
uwVal = *pwAddr;
由于地址是0x1，不是2对齐的，但是BANK0的位宽被设为16，这将导致异常。我们可以设置异常处理函数来处理这种情况。在异常处理函数中，使用 0x0、0x2发起两次读操作，然后将两个结果组合起来：使用地址0x0的两字节数据D0、D1；再使用地址0x02读到D2、D3；最后，D1、D2组 合成一个16位的数字返回给wVal。如果没有地址不对齐的异常处理函数，那么上述代码将会出错。如果某个BANK的位宽被设为n，访问此BANK时，在 总线上永远只会看到地址对齐的n位操作。
3）8位读操作
unsigned char *pwAddr = (unsigned char *)0x6;
unsigned char ucVal;
ucVal = *pwAddr;
CPU首先使用地址0x6对NOR Flsh发起16位的读操作，得到两个字节的数据，假设为D0、D1；然后将D0取出赋值给变量ucVal。在读操作期间，地址总线 ADDR1~ADDR20、A0~A19的信号都是1、1、0、...、0（CPU的ADDR0为0，不过ADDR0没有接到NOR Flash上）。CPU会自动丢弃D1。
4）32位读操作
unsigned int *pwAddr = (unsigned int *)0x6;
unsigned int udwVal;
udwVal = *pwAddr;
CPU首先使用地址0x6对NOR Flsh发起16位的读操作，得到两个字节的数据，假设为D0、D1；再使用地址0x8发起读操作，得到两字节的数据，假设为D2、D3；最后将这4个数据组合后赋给变量udwVal。
5）16位写操作
unsigned short *pwAddr = (unsigned short *)0x6;
*pwAddr = 0x1234;
由于NOR Flash的特性，使得NOR Flash的写操作比较复杂——比如要先发出特定的地址信号通知NOR Flash准备接收数据，然后才发出数据等。不过，其总线上的电信号与软件指令的关系与读操作类似，只是数据的传输方向相反。
2、使用软件来访问硬件
当个引脚的操作有3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实现
首先我们从点亮LED开始，下图选自mini2440原理图，LED1-4分别对应GPB5-8
如果要控制这些LED，那么我们首先要把GPBCON寄存器中GPB5-8对应的位设为输出功能，然后写GPBDAT寄存器的相应位，使这4个引脚输出高低电平
一般是低电平有效，即高电平时，对应LED熄灭，低电平时，对应LED点亮
访问寄存器的时候，通过S3C2440的数据手册查到GPBCON和GPBDAT寄存器的地址，附数据手册 点击下载
GPBCON为0x56000010，GPBDAT为0x56000014
通过下面的代码让GPB5输出低电平，点亮LED1
#define GPBCON (*(volatile unsigned long *) 0x56000010) //volatile修饰符确保每次去内存中读取变量的值，还不是从cache或者寄存器中
#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *) 0x56000014)
#define GPB5_OUT (1<<(5*2)) //两位控制一个引脚，那么GPB5就是GPBCON的[11:10]位，1左移10位，则[11:10]为01，表示GPB5为输出
GPBCON = GPB5_OUT;
GPBDAT &= ~(1<<5); //1左移5位取反，那么第5位为0，即GPB5输出低电平，点亮LED1
3、GPIO操作实例
1、使用汇编代码点亮一个LED
先看源程序 led_on.S
.text
.global _start
_start:
LDR R0,=0x56000010 @ R0设为GPBCON寄存器
MOV R1,#0x00000400 @ 设置GPB5为输出口, 位[11:10]=0b01
STR R1,[R0]
LDR R0,=0x56000014 @ R0设为GPBDAT寄存器
MOV R1,#0x00000000 @ 此值改为0x00000020,可让LED1熄灭
STR R1,[R0] @ GPB5输出0，LED1点亮
MAIN_LOOP:
B MAIN_LOOP @无限循环
再来看程序的Makefile
led_on.bin : led_on.S
arm-linux-gcc -g -c -o led_on.o led_on.S
arm-linux-ld -Ttext 0x0000000 -g led_on.o -o led_on_elf
arm-linux-objcopy -O binary -S led_on_elf led_on.bin
clean:
rm -f led_on.bin led_on_elf *.o
led_on.S生成led_on.bin
第一行做汇编
第二行做连接，指定代码段起始地址为0x00000000
第三行把ELF格式转为二进制格式
clean用于清除编译生成的文件
2、使用c语言代码点亮LED
汇编可读性比C差，我们用C来实现
@******************************************************************************
@ File：crt0.S
@ 功能：通过它转入C程序
@******************************************************************************
.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,这4k是steppingstone，后面会介绍
@ 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程序中的main函数
halt_loop:
b halt_loop
下面是led_on_c.c
#define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0x56000010)
#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000014)
int main()
{
GPBCON = 0x00000400; // 设置GPB5为输出口, 位[11:10]=0b01
GPBDAT = 0x00000000; // GPB5输出0，LED1点亮
return 0;
}
最后是Makefile
led_on_c.bin : crt0.S led_on_c.c
arm-linux-gcc -g -c -o crt0.o crt0.S
arm-linux-gcc -g -c -o led_on_c.o led_on_c.c
arm-linux-ld -Ttext 0x0000000 -g crt0.o led_on_c.o -o led_on_c_elf
arm-linux-objcopy -O binary -S led_on_c_elf led_on_c.bin
arm-linux-objdump -D -m arm led_on_c_elf > led_on_c.dis
clean:
rm -f led_on_c.dis led_on_c.bin led_on_c_elf *.o
分别汇编crt0.S和led_on_c.c
连接目标到led_on_c_elf，代码段起始地址位0x00000000
转换ELF格式到二进制led_on_c.bin
最后转换结果为汇编码方便查看
3、测试程序
在先前搭建的编译环境中进入代码目录
#make
得到的bin文件，在win中使用dnw下载到开发板，设置串口波特率，对应端口，8N1，下载地址0x00000000
开关拨到nor flash，打开电源，出现菜单以后，选择a
然后选择USB PORT-transmit/restore，选择编译好的bin文件
然后开关拨到nand启动，效果如下：（设置LED1和LED4亮）
4、使用按键来控制LED
K1-K6如上图对应GPG，我们使用K1-K4操作LED1-LED4
@******************************************************************************
@ File：crt0.S
@ 功能：通过它转入C程序
@******************************************************************************
.text
.global _start
_start:
ldr r0, =0x56000010 @ 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,这4k是steppingstone，后面会介绍
@ 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程序中的main函数
halt_loop:
b halt_loop
下面是key_led.c文件
#define GPBCON (*(volatile unsigned long *)0x56000010)
#define GPBDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000014)
#define GPGCON (*(volatile unsigned long *)0x56000060)
#define GPGDAT (*(volatile unsigned long *)0x56000064)
/*
* LED1-4对应GPB5、GPB6、GPB7、GPB8
*/
#define GPB5_out (1<<(5*2))
#define GPB6_out (1<<(6*2))
#define GPB7_out (1<<(7*2))
#define GPB8_out (1<<(8*2))
/*
* K1-K4对应GPG0、GPG3、GPG5、GPG6
*/
#define GPG7_in ~(3<<(6*2))
#define GPG6_in ~(3<<(5*2))
#define GPG3_in ~(3<<(3*2))
#define GPG0_in ~(3<<(0*2))
int main()
{
unsigned long dwDat;
// LED1-LED4对应的4根引脚设为输出
GPBCON = GPB5_out | GPB6_out | GPB7_out | GPB8_out ;
// K1-K4对应的2根引脚设为输入
GPGCON = GPG0_in & GPG3_in & GPG6_in & GPG7_in ;
while(1){
//若Kn为0(表示按下)，则令LEDn为0(表示点亮)
dwDat = GPGDAT; // 读取GPG管脚电平状态
if (dwDat & (1<<0)) // K1没有按下
GPBDAT |= (1<<5); // LED1熄灭
else
GPBDAT &= ~(1<<5); // LED1点亮
if (dwDat & (1<<3)) // K2没有按下
GPBDAT |= (1<<6); // LED2熄灭
else
GPBDAT &= ~(1<<6); // LED2点亮
if (dwDat & (1<<5)) // K3没有按下
GPBDAT |= (1<<7); // LED3熄灭
else
GPBDAT &= ~(1<<7); // LED3点亮
if (dwDat & (1<<6)) // K4没有按下
GPBDAT |= (1<<8); // LED4熄灭
else
GPBDAT &= ~(1<<8); // LED4点亮
}
return 0;
}
最后是Makefile
key_led.bin : crt0.S key_led.c
arm-linux-gcc -g -c -o crt0.o crt0.S
arm-linux-gcc -g -c -o key_led.o key_led.c
arm-linux-ld -Ttext 0x0000000 -g crt0.o key_led.o -o key_led_elf
arm-linux-objcopy -O binary -S key_led_elf key_led.bin
arm-linux-objdump -D -m arm key_led_elf > key_led.dis
clean:
rm -f key_led.dis key_led.bin key_led_elf *.o
测试效果
最后
以上就是孤独犀牛为你收集整理的GPIO简介与理解的全部内容，希望文章能够帮你解决GPIO简介与理解所遇到的程序开发问题。
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