ARM Cortex M3系列GPIO口介绍(工作方式探讨)

一、Cortex M3的GPIO口特性
    在介绍GPIO口功能前，有必要先说明一下M3的结构框图，这样能够更好理解总线结构和GPIO所处的位置。

Cortex M3结构框图

    从图中可以看出，GPIO口都是接在APB总线上的，而且M3具有两个AHB到APB桥，GPIO则直接接在AHB矩阵上，这样可以减少CPU和DMA控制器之间的竞争冲入，获得较高性能。APB总线桥配置为写缓冲区，使得CPU或DMA控制器可直接操作APB外设，而无需等待总线写操作完成。

M3数字I/O功能：
高速GPIO口，其寄存器被移到外设AHB总线，可以字节，半字和字寻址。
位电平置位和清零寄存器允许单指令置位和清零一个端口的任意位。
所有GPIO口寄存器支持M3位带操作。
整个端口值可以用一条指令写入。
GPIO口寄存器可由GPDMA控制器进行访问，可以进行DMA数据操作，使之与DMA请求同步。
单个I/O口方向可以控制。
所有I/O口在复位后默认作为上拉输入。（Why？因为微控制器连接了很多设备，如果复位后作为输出，则由于控制器电平状态不定，可能会导致外围设备产生动作，从而产生不利影响，故复位后一半都作为输入状态。）
M3可产生中断的数字端口：
PORT0 和 PORT2 端口的每个引脚都可以提供中断功能；
每个端口上的中断可被编程为上升沿、下降沿或边沿产生中断；
边沿检测是异步的，因此可以在没有时钟的情况下（例如掉电模式）操作。使用这种特性，就无需电平触发中断；
可掉电唤醒；
寄存器为软件提供挂起的上升沿中断、挂起的下降沿中断和整个挂起的 GPIO中断；
GPIO0 和 GPIO2 中断与外部中断 3 事件共用相同的 NVIC 通道。

　　二、GPIO口的寄存器描述
Cortex M3引脚的寄存器描述：

PINMODEx表示引脚模式选择寄存器，在使用前要配置好。

引脚模式选择寄存器位

 

PINMODEx	功能	复位后的值
00	引脚使能上拉电阻	00
01	中继模式
10	引脚无片内上拉或下拉电阻
11	引脚使能下拉电阻

中继模式说明：当引脚处于逻辑高电平，中继模式能使能上拉电阻；当引脚处于逻辑低电平时，中继模式会使能下拉电阻，这样当引脚配置为输入且没有外部驱动时，能够保持上一个已知状态。

PINSELx：功能选择寄存器。用来设定PORT引脚的功能，当PINSELx各位为0时，才用作GPIO端口。
FIOxDIR：GPIO口方向寄存器，单独控制每个端口管脚的方向，可作为字节（8位），半字（16位）和字长（32位）的数据进行访问。
FIOxMASK：屏蔽寄存器。任何写、读的操作只在该寄存器对应位为“0“时才有效。
FIOxPIN：管脚值寄存器。只要管脚不配置为ADC，其他所有方式都可以从该位读出端口当前的实际状态。注：如果读FIOPIN寄存器，那么不管物理引脚的状态如何，在 FIOMASK寄存器中被“1”屏蔽的位将始终读出0。
FIOxSET：输出引脚的状态。写 1 使相应的端口引脚产生高电平。写 0 没有影响。读该寄存器，返回端口输出寄存器的当前内容。只可以更改 FIOMASK 中为 0 的位，即非屏蔽位。
FIOxCLR：控制输出引脚的状态。写 1 使相应的端口引脚产生低电平。写 0 没有影响。只可以更改 FIOMASK 中为 0 的位，即非屏蔽位。

　　2.1  GPIO端口方向寄存器FIOxDIR（FIO0DIR??FIO4DIR- 0x2009 C000??0x2009 C080）
　　当引脚被配置为 GPIO功能时，该寄存器可用来控制引脚的方向。务必根据引脚功能来设置每个引脚的方向。
注：GPIO引脚 P0.29和P0.30 与USB D+/-引脚共用，并且具有相同的方向。如果FP0DIR位29或位30在FIO0DIR寄存器中被配置为零，则P0.29 和P0.30都为输入。如果FP0DIR位29和位30被配置为1，则P0.29和P0.30都为输出。

高速GPIO端口方向寄存器位描述

 

位	符号	值	描述	复位值
31:0（字长数据）	FP0DIR FP1DIR FP2DIR FP3DIR FP4DIR	1	控制的引脚为输入引脚   控制的引脚为输出引脚

字和半字的操作基本类似，只是可以通过8位寄存器或者16位的寄存器分别控制方向而已，这里不再解释，请参看《深入浅出Cortex-M3 LPC1700》.

　　2.2  GPIO端口输出设置寄存器FIOxSET（FIO0SET??FIO7SET - 0x2009 C018??0x2009 C098）
　　当引脚在输出模式中被配置为 GPIO 时，该寄存器在端口引脚产生高电平输出。向该寄存器的某些位写入“1”时，对应的引脚产生高电平。写入“0”无效。如果需要引脚输出低电平或第二种功能，那么写 1 到 FIOxSET 的相应位无效。 读FIOxSET 寄存器返回该寄存器的值，该值由前一次对 FIOxSET 和 FIOxCLR（或前面提到的 FIOxPIN）的写操作确定，它不反映任何外部环境对 I/O引脚的影响。 通过 FIOxSET 寄存器访问的端口引脚受到 FIOxMASK 寄存器相应位的限制。

高速GPIO端口输出设置寄存器位描述

 

位	符号	值	描述	复位值
31:0（字长数据）	FP0SET FP1SET FP2SET FP3SET FP4SET	1	控制的引脚输出不改变          控制的引脚输出被设为高电平

　　2.3  GPIO端口输出清零寄存器FIOxCLR（FIO0CLR??FIO07CLR - 0x2009 C01C??0x2009 C09C）
　　当引脚在输出模式中被配置为 GPIO 时，该寄存器在端口引脚产生低电平输出。向某些位写入“1”会使相应的引脚产生低电平，同时清零 FIOxSET 寄存器的相应位。写入“0”无效。如果引脚被配置为输入或其它功能，那么写 FIOxCLR 对引脚没有影响。 通过FIOxCLR寄存器访问的端口引脚受到FIOxMASK寄存器相应位的限制.

高速GPIO端口输出清零寄存器位描述

 

位	符号	值	描述	复位值
31:0（字长数据）	FP0CLR FP1CLR FP2CLR FP3CLR FP4CLR	1	控制的引脚输出不改变          控制的引脚输出被设为低电平

　　2.4  GPIO端口引脚值寄存器FIOxPIN（FIO0PIN??FIO7PIN- 0x2009 C014??0x2009 C094）
　　该寄存器提供了端口引脚的值，可配置这些值来执行仅为数字的功能。该寄存器将给出引脚的当前逻辑值，而不管引脚是否配置为输入或输出，或作为 GPIO或作为其它可选的数字功能。
　　例如，特殊的端口引脚可能具有 GPIO输入、GPIO 输出、UART 接收和 PWM 输出等可选功能。无论该引脚配置成何种功能，都可以从相应的 FIOxPIN 寄存器中读出其当前的逻辑状态。 如果引脚配置为模拟功能，当选择了模拟配置时，引脚状态不能被读出。将引脚选择用作A/D输入会断开与引脚数字部分的连接。在这种情况下，从 FIOxPIN 寄存器中读出的引脚值无效。
　　写 FIOxPIN 寄存器时， FIOxPIN 寄存器的值会保存到端口输出寄存器，而无需使用 FIOxSET和 FIOxCLR寄存器来获得整个写入值。由于这种特性影响整个端口，因此在应用中时要小心。 通过 FIOxPIN 寄存器访问的端口引脚受到 FIOxMASK 寄存器相应位的限制。 只有在屏蔽寄存器中用0 屏蔽的引脚与高速 GPIO 端口引脚值寄存器的当前内容相互关联。

高速GPIO端口引脚值寄存器位描述

 

位	符号	值	描述	复位值
31:0（字长数据）	FP0VAL FP1VAL FP2VAL FP3VAL FP4VAL	1	控制的引脚输出设为低电平 控制的引脚输出设为高电平

　　2.5  高速GPIO端口屏蔽寄存器FIOxMASK （FIO0MASK??FIO7MASK - 0x2009 C010??0x2009 C090）
　　该寄存器用来屏蔽某些端口引脚，被屏蔽的引脚将无法通过 FIOxPIN、 FIOxSET 或 FIOxCLR寄存器写访问。当读FIOxPIN 寄存器时，屏蔽寄存器还将过滤相应端口的内容。
通过读或写访问，该寄存器中为“0”的位使能相应物理引脚的访问。如果该寄存器中的位为“1”，则相应位将不会通过写访问改变，并且读操作时将不会在更新的 FIOxPIN 寄存器中反映出来。

高速GPIO端口引脚值寄存器位描述

 

位	符号	值	描述	复位值
31:0（字长数据）	FP0VAL FP1VAL FP2VAL FP3VAL FP4VAL	1	控制的引脚输出设为低电平 控制的引脚输出设为高电平

　　对于常见的ARM处理器，它们的GPIO口基本上可以配置为输入模式、输出模式、开漏或推挽模式，对于新唐的M0来说，所有I/O都处于准双端模式；对于NXP的M3处理器来说，GPIO可以配置为上拉、下拉、开漏或者中继模式。

　　开漏输出与推挽输出的区别：

　　推挽输出：推挽结构一般是指两个三极管分别受两互补信号的控制,总是在一个三极管导通的时候另一个截止。可以输出高,低电平,连接数字器件，正常的拉出/灌入电流为4mA，短时间极限值可以达到40mA，但不是每个引脚都能输出这么多

　　开漏输出：输出端相当于三极管的集电极。要得到高电平状态需要上拉电阻才行。适合于做电流型的驱动,其吸收电流的能力相对强(一般20mA以内).

 

　　开漏电路概念中提到的“漏”就是指MOS FET的漏极。同理，开集电路中的“集”就是指三极管的集电极。开漏电路就是指以MOS FET的漏极为输出的电路。一般的用法是会在漏极外部的电路添加上拉电阻。完整的开漏电路应该由开漏器件和开漏上拉电阻组成。

　　组成开漏形式的电路有以下几个特点：
　　1. 利用外部电路的驱动能力，减少IC内部的驱动。当IC内部MOSFET导通时，驱动电流是从外部的VCC流经R pull-up，MOSFET到GND。IC内部仅需很小的栅极驱动电流。如图1。
　　2. 可以将多个开漏输出的Pin，连接到一条线上。形成 “与逻辑” 关系。如图，当PIN_A、PIN_B、PIN_C任意一个变低后，开漏线上的逻辑就为0了。这也是I2C，SMBus等总线判断总线占用状态的原理。
　　3. 可以利用改变上拉电源的电压，改变传输电平。IC的逻辑电平由电源Vcc1决定，而输出高电平则由Vcc2决定。这样我们就可以用低电平逻辑控制输出高电平逻辑了。
　　4. 开漏Pin不连接外部的上拉电阻，则只能输出低电平(因此对于经典的51单片机的P0口而言，要想做输入输出功能必须加外部上拉电阻，否则无法输出高电平逻辑)。

问题集锦

一、准双向IO结构的特点是 
1 输出结构类似 OC门，输出低电平时，内部NMOS导通，驱动能力较强(800uA)；输出高电平靠内部上拉电阻，驱动能力弱(60uA)。
2 永远有内部电阻上拉，高电平输出电流能力很弱，所以即使IO口长时间短路到地也不会损坏IO口(同理，IO口低电平输出能力较强,作低电平输出时不能长时间短路到VCC)
3 作输入时，因为OC门有"线与"特性,必须把IO口设为高电平(所以按键多为共地接法)
4 作输出时，输出低电平可以推动LED(也是很弱的)，输出高电平通常需要外接缓冲电路(所以LED多为共阳接法)
5 软件模拟 OC结构的总线反而比较方便-----例如 IIC总线
* OC门：三极管的叫集电极开路，场效应管的叫漏极开路，简称开漏输出。具备"线与"能力,有0得0。
* 为什么设计成输出时高电平弱，低电平强----是考虑了当年流行的TTL器件输入

 

二、IO不同模式的区别？
简单的说:
“准双向IO口”在读前必须先用写指令置"1",才能读入;写则无须此步.
“真正的双向IO口”可直接读写.
“三态IO口”有高,低电平,高阻状态,高阻本人理解:相当此脚与内部电路断开.