LV04-02-点灯-01-IMX6ULL的GPIO

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本文主要是I.MX6ULL的GPIO的相关笔记，若笔记中有错误或者不合适的地方，欢迎批评指正😃。

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I.MX6ULL i.MX 6ULL Applications Processors for Industrial Products I.MX6ULL 芯片手册（datasheet，可以在线查看）
i.MX 6ULL Applications ProcessorReference Manual I.MX6ULL 参考手册（下载后才能查看，需要登录NXP官网）

一、GPIO概述

1. 一般结构

GPIO就是General-purpose input/output，通用的输入输出口。GPIO 模块一般结构如下：

（1）有多组 GPIO，每组有多个 GPIO

（2）使能：电源/时钟

（3）模式(Mode)：引脚可用于 GPIO 或其他功能

（4）方向：引脚 Mode 设置为 GPIO 时，可以继续设置它是输出引脚，还是输入引脚

（5）数值：对于输出引脚，可以设置寄存器让它输出高、低电平

对于输入引脚，可以读取寄存器得到引脚的当前电平。

2. I.MX6ULL的 GPIO 数量

I.MX6ULL有 5 组 GPIO（ GPIO1～GPIO5），每组引脚最多有 32 个，但是可能实际上并没有那么多。

  • GPIO1 有 32 个引脚： GPIO1_IO0~GPIO1_IO31；

  • GPIO2 有 22 个引脚： GPIO2_IO0~GPIO2_IO21；

  • GPIO3 有 29 个引脚： GPIO3_IO0~GPIO3_IO28；

  • GPIO4 有 29 个引脚： GPIO4_IO0~GPIO4_IO28；

  • GPIO5 有 12 个引脚： GPIO5_IO0~GPIO5_IO11；

3. I.MX6ULL的 IO 命名

像之前学习的STM32 中的 IO 都是 PA0~15、 PB0~15 这样命名的， I.MX6ULL 的 IO 是怎么命名的呢？打开《i.MX 6ULL Applications Processor Reference Manual》参考手册的 Chapter 32 IOMUX Controller (IOMUXC) ，可以看到这一章节对应的书签如下：

image-20230716153902632

I.MX6ULL 的 IO 分为两类： SNVS 域的和通用的，这两类 IO 本质上都是一样的，我们就有下面的常用 IO 为例，说明一下 I.MX6ULL 的 IO 命名方式。

形如“ IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 ”的就是 GPIO 命名，命名形式就是“IOMUXC_SW_MUC_CTL_PAD_XX_XX”，后面的“XX_XX”就是 GPIO 命名，比如： GPIO1_IO01、 UART1_TX_DATA、 JTAG_MOD 等等。I.MX6ULL 的 GPIO 并不像 STM32一样以 PA0~15 这样命名，它是根据某个 IO 所拥有的功能来命名的。比如我们一看到GPIO1_IO01 就知道这个肯定能做 GPIO，看到 UART1_TX_DATA 肯定就知道这个 IO 肯定能做为 UART1 的发送引脚。

“Chapter 32: IOMUX Controller(IOMUXC)”这一章列出了 I.MX6ULL 的所有 IO，如果找遍 32 章的书签，我们会发现貌似 GPIO 只有GPIO1_IO00 ~ GPIO1_IO09，难道I.MX6ULL 的 GPIO 只有这 10 个？显然不是的， 我们学习STM32的时候知道 STM32 的很多 IO 是可以复用为其它功能的，类比一下就可以知道其实 I.MX6ULL 的其它IO也是可以复用为 GPIO 功能。同样的，GPIO1_IO00~GPIO_IO09 也是可以复用为其它外设引脚的，关于复用，后边再说。

4. I.MX6ULL的 IO 复用

以“IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00”这个 IO 为例，打开参考手册的 1568 页（32.6.7 SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 SW MUX Control Register (IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00) ）：

image-20240117200146535

可以看到有个名为： IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 的寄存器，寄存器地址为 0X020E005C，这个寄存器是 32 位的，但是只用到了最低 5 位，其中bit0~bit3(MUX_MODE)就是设置 GPIO1_IO00 的复用功能的。 GPIO1_IO00 一共可以复用为 9种功能 IO，分别对应 ALT0~ALT8，其中 ALT5 就是作为 GPIO1_IO00。 GPIO1_IO00 还可以作为 I2C2_SCL、 GPT1_CAPTURE1、 ANATOP_OTG1_ID 等。这个就是 I.MX6U 的 IO 复用。

由此可见， I.MX6U 的 GPIO 不止 GPIO1_IO00~GPIO1_IO09 这 10 个，其它的 IO 都可以复用为 GPIO 来使用。 I.MX6U 的 GPIO 一共有 5 组：GPIO1、 GPIO2、 GPIO3、 GPIO4 和 GPIO5，其中 GPIO1 有 32 个 IO， GPIO2 有 22 个 IO， GPIO3 有 29 个 IO、 GPIO4 有 29 个 IO， GPIO5最少，只有 12 个 IO，这样一共有 124 个 GPIO。如果只想看每个 IO 能复用什么外设的话可以直接查阅《IMX6ULL 参考手册》的第 4 章“Chapter 4 External Signals and Pin Multiplexing”。如果我们要编写代码，设置某个 IO 的复用功能的话就需要查阅第 32 章“Chapter 32: IOMUX Controller(IOMUXC)” ,第 32 章详细的列出了所有 IO 对应的复用配置寄存器。

5. I.MX6ULL的 IO 配置

我们会发现《 I.MX6UL 参考手册》 第 30 章“ Chapter 30: IOMUX Controller(IOMUXC)”的书签中，每一个 IO 会出现两次，它们的名字差别很小，不仔细看就看不出来，比如 GPIO1_IO00 有如下两个书签： 

1
2
IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00
IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO00

上面两个都是跟 GPIO_IO00 有关的寄存器，名字上的区别就是红色部分，一个是“MUX”，一个是“PAD”。

IOMUX_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 我们前面已经说了，是用来配置GPIO1_IO00 复用功能的。

那么IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO00 是做什么的呢？找到这个书签对应的 1787 页（32.6.153 SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO00 SW PAD ControlRegister (IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO00) ）：

image-20240117200556055

可以看出， IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO00 也是个寄存器，寄存器地址为 0X020E02E8。这也是个 32 位寄存器，但是只用到了其中的低 17 位，在看这写位的具体含义之前，先来看一下下图所示的 GPIO 功能图（参考手册的28.4.2 GPIO pad structure ）：

image-20240117200637188

我们对照着上图来详细看一下寄存器 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO00 的各个位的含义：

  • **HYS(bit16)**：对应图中 HYS，用来使能迟滞比较器，当 IO 作为输入功能的时候有效，用于设置输入接收器的施密特触发器是否使能。如果需要对输入波形进行整形的话可以使能此位。此位为 0 的时候禁止迟滞比较器，为 1 的时候使能迟滞比较器。

  • **PUS(bit15:14)**： 对应图中的 PUS，用来设置上下拉电阻的，一共有四种选项可以选择：

位设置 含义
00 100K 下拉
01 47K 上拉
10 100K 上拉
11 22K 上拉

  • **PUE(bit13)**： 图没有给出来，当 IO 作为输入的时候，这个位用来设置 IO 使用上下拉还是状态保持器。当为 0 的时候使用状态保持器，当为 1 的时候使用上下拉。状态保持器在IO 作为输入的时候才有用，顾名思义，就是当外部电路断电以后此 IO 口可以保持住以前的状态。

  • **PKE(bit12)**： 对应图中的 PKE，此位用来使能或者禁止上下拉/状态保持器功能，为0 时禁止上下拉/状态保持器，为 1 时使能上下拉和状态保持器。

  • **ODE(bit11)**：对应图中的 ODE，当 IO 作为输出的时候，此位用来禁止或者使能开路输出，此位为 0 的时候禁止开路输出，当此位为 1 的时候就使能开路输出功能。

  • **SPEED(bit7:6)**： 对应图中的 SPEED，当 IO 用作输出的时候，此位用来设置 IO 速度，设置如表所示：

位设置 速度
00 低速 50M
01 中速 100M
10 中速 100M
11 最大速度 200M
  • **DSE(bit5:3)**：对应图中的 DSE，当 IO 用作输出的时候用来设置 IO 的驱动能力，总共有 8 个可选选项，如表所示：
位设置 速度
000 输出驱动关闭
001 R0(3.3V 下 R0 是 260Ω， 1.8V 下 R0 是 150Ω，接 DDR 的时候是 240Ω )
010 R0/2
011 R0/3
100 R0/4
101 R0/5
110 R0/6
111 R0/7
  • **SRE(bit0)**： 对应图中的 SRE，设置压摆率，当此位为 0 的时候是低压摆率，当为 1的时候是高压摆率。这里的压摆率就是 IO 电平跳变所需要的时间，比如从 0 到 1 需要多少时间，时间越小波形就越陡，说明压摆率越高；反之，时间越多波形就越缓，压摆率就越低。如果产品要过 EMC 的话那就可以使用小的压摆率，因为波形缓和，如果当前所使用的 IO做高速通信的话就可以使用高压摆率。

通过上面的介绍，可以看出寄存器 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO00 是用来配置 GPIO1_IO00 的，包括速度设置、驱动能力设置、压摆率设置等等。到这里我们就知 I.MX6U 的 IO 是可以设置速度的、而且比 STM32 的设置要更多。但是我们没有看到如何设置 IO 为输入还是输出？ IO 的默认电平如何设置等等，所以我们接着继续看。

6. I.MX6ULL的 GPIO 配置

IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX 和 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_XX_XX 这两种寄存器都是配置 IO 的，注意是 IO！不是 GPIO， GPIO 是一个 IO 众多复用功能中的一种。比如 GPIO1_IO00 这个 IO 可以复用为： I2C2_SCL、 GPT1_CAPTURE1、 ANATOP_OTG1_ID、ENET1_REF_CLK 、 MQS_RIGHT 、 GPIO1_IO00 、 ENET1_1588_EVENT0_IN 、SRC_SYSTEM_RESET 和 WDOG3_WDOG_B 这 9 个功能， GPIO1_IO00 是其中的一种，我们想要把 GPIO1_IO00 用作哪个外设就复用为哪个外设功能即可。

如果我们要用 GPIO1_IO00 来点个灯、作为按键输入啥的就是使用其 GPIO(通用输入输出)的功能。将其复用为 GPIO 以后还需要对其 GPIO 的功能进行配置，关于 I.MX6U 的 GPIO 请参考《IMX6UL 参考手册》的第 26章“Chapter 26 General Purpose Input/Ouput(GPIO)”， GPIO 结构如图：

image-20230716155704210

左下角的 IOMUXC 框图里面就有 SW_MUX_CTL_PAD_* 和SW_PAD_CTL_PAD_*两种寄存器。这两种寄存器前面说了用来设置 IO 的复用功能和 IO 属性配置。左上角部分的 GPIO 框图就是，当 IO 用作 GPIO 的时候需要设置的寄存器，一共有八个：DR、 GDIR、 PSR、 ICR1、 ICR2、EDGE_SEL、 IMR 和 ISR。前面我们说了 I.MX6U 一共有GPIO1~GPIO5 共五组 GPIO，每组 GPIO 都有这 8 个寄存器。我们来看一下这 8 个寄存器都是什么含义。

6.1 DR 寄存器

此寄存器是数据寄存器，结构图如图 ：

image-20240117201620739

此寄存器是 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 被配置为输出功能以后，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，比如要设置 GPIO1_IO00 输出高电平，那么就应该设置 GPIO1.DR=1。当 GPIO被配置为输入模式以后， 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 GPIO1_IO00 这个引脚接地的话，那么 GPIO1.DR 的 bit0 就是 0。

6.2 GDIR 寄存器

GDIR 寄存器，是方向寄存器，用来设置某个 GPIO 的工作方向的，即输入/输出， GDIR 寄存器结构如图 ：

image-20240117201715436

GDIR 寄存器也是 32 位的，此寄存器用来设置某个 IO 的工作方向，是输入还是输出。同样的，每个 IO 对应一个位，如果要设置 GPIO 为输入的话就设置相应的位为 0，如果要设置为输出的话就设置为 1。比如要设置 GPIO1_IO00 为输入，那么 GPIO1.GDIR=0；

6.3 PSR 寄存器

PSR 寄存器，这是 GPIO 状态寄存器，如图 ：

image-20240117201749564

同样的 PSR 寄存器也是一个 GPIO 对应一个位，读取相应的位即可获取对应的 GPIO 的状态，也就是 GPIO 的高低电平值。功能和输入状态下的 DR 寄存器一样。

6.4 ICR1 和 ICR2 寄存器

ICR1和ICR2这两个寄存器，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 寄存器如图：

image-20240117201835448

ICR1 用于 IO0~15 的配置， ICR2 用于 IO16~31 的配置。 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，和 STM32 的中断很类似，可配置的选线如表所示：

位设置 速度
00 低电平触发
01 高电平触发
10 上升沿触发
11 下降沿触发

以GPIO1_IO15为例，如果要设置GPIO1_IO15为上升沿触发中断，那么GPIO1.ICR1=2<<30，如果要设置 GPIO1 的 IO16~31 的话就需要设置 ICR2 寄存器了。

6.5 IMR 寄存器

image-20240117201924096

IMR 寄存器，这是中断屏蔽寄存器。一个 GPIO 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，那么就可以设置GPIO1.MIR=1 即可。

6.6 ISR 寄存器

ISR 是中断状态寄存器，寄存器如图 ：

image-20240117202100894

ISR 寄存器也是 32 位寄存器，一个 GPIO 对应一个位，只要某个 GPIO 的中断发生，那么ISR 中相应的位就会被置 1。所以，我们可以通过读取 ISR 寄存器来判断 GPIO 中断是否发生，相当于 ISR 中的这些位就是中断标志位。当我们处理完中断以后，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。

6.7 EDGE_SEL 寄存器

EDGE_SEL 寄存器，是边沿选择寄存器，寄存器如图 ：

image-20240117202138771

EDGE_SEL 寄存器用来设置边沿中断，这个寄存器会覆盖 ICR1 和 ICR2 的设置，同样是一个 GPIO 对应一个位。如果相应的位被置 1，那么就相当与设置了对应的 GPIO 是上升沿和下降沿(双边沿)触发。例如，我们设置 GPIO1.EDGE_SEL=1，那么就表示 GPIO1_IO01 是双边沿触发中断，无论 GFPIO1_CR1 的设置为多少，都是双边沿触发。

7. I.MX6ULL的 GPIO 时钟使能

I.MX6U 的 GPIO 是否需要使能时钟？ STM32 的每个外设都有一个外设时钟， GPIO 也不例外，要使用某个外设，必须要先使能对应的时钟。 I.MX6U 其实也一样的，每个外设的时钟都可以独立的使能或禁止，这样可以关闭掉不使用的外设时钟，起到省电的目的。

I.MX6U 的系统时钟参考《I.MX6UL 参考手册》的第 18 章“Chapter 18: ClockController Module(CCM)”，这一章主要讲解 I.MX6U 的时钟系统，很复杂。我们先不研究 I.MX6U的 时 钟 系 统 ， 我们只看一下CCM里面的外设时钟使能寄存器。CMM有CCM_CCGR0~CCM_CCGR6 这 7 个寄存器，这 7 个寄存器控制着 I.MX6U 的所有外设时钟开关，我们以 CCM_CCGR0 为例来看一下如何禁止或使能一个外设的时钟， CCM_CCGR0 结构
体如图 ：

image-20240117202357007

CCM_CCGR0 是个 32 位寄存器，其中每 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，如表：

位设置 时钟控制
00 所有模式下都关闭外设时钟。
01 只有在运行模式下打开外设时钟，等待模式和停止模式下均关闭外设时钟。
10 未使用(保留)。
11 除了停止模式以外，其他所有模式下时钟都打开。

根据表中的位设置，如果我们要打开 GPIO2 的外设时钟，那么只需要设置CCM_CCGR0 的 bit31 和 bit30 都为 1 即可，也就是 CCM_CCGR0=3 << 30。反之，如果要关闭GPIO2 的外设时钟 ， 那就设置 CCM_CCGR0 的 bit31 和 bit30 都为 0 即可 。

CCM_CCGR0~CCM_CCGR6 这 7 个寄存器操作都是类似的，只是不同的寄存器对应不同的外设时钟而已，为了方便开发，本教程后面所有的例程将 I.MX6U 的所有外设时钟都打开了。 I.MX6U 的每个外设的时钟都可以独立的禁止和使能，这个和 STM32 是一样的。

二、GPIO的控制模块

在《i.MX 6ULL Applications ProcessorReference Manual》参考手册的 Chapter 28 General Purpose Input/Output (GPIO) 一节中有I.MX6ULL的GPIO模块的框图：

image-20230716155704210

GPIO 的控制涉及 4 大模块： CCM、 IOMUXC、 GPIO 模块本身 ，上图中的CCM是我画上去的，该模块用于使能GPIO的时钟。接下来我们来了解一下这几个模块。

1. CCM模块

CCM 用于设置是否向 GPIO 模块提供时钟。这一部分可以参考《i.MX 6ULL Applications Processor Reference Manual》的 Chapter 18 Clock Controller Module (CCM) 。GPIOx 要用 CCM_CCGRy 寄存器中的 2 位来决定该组 GPIO 是否使能。哪组GPIO 用哪个 CCM_CCGR 寄存器来设置可以看这里：

image-20230716162559972

CCM_CCGR 寄存器中某 2 位的取值含义如下

取值 说明
00 该 GPIO 模块全程被关闭
01 该 GPIO 模块在 CPU run mode 情况下是使能的；在 WAIT 或 STOP 模式下，关闭
10 保留
11 该 GPIO 模块全程使能

2. IOMUXC 模块

IOMUXC模块用于控制引脚的模式(Mode、功能) 等，我们可以参考《i.MX 6ULL Applications Processor Reference Manual》的Chapter 32 OMUX Controller (IOMUXC) 。对于某个/某组引脚， IOMUXC 中有 2 个寄存器用来设置它 ：

1
2
3
4
5
IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_<PADNAME>
IOMUXC_SW_MUX_CTL_GRP_<GROUP NAME>

IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_<PAD_NAME>
IOMUXC_SW_PAD_CTL_GRP_<GROUP NAME>

2.1 选择引脚功能

  • IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_<PADNAME> ： Mux pad xxx，选择某个 pad 的功能
  • IOMUXC_SW_MUX_CTL_GRP_<GROUP NAME>： Mux grp xxx，选择某组引脚的功能

我们来看一下命名的情况：

image-20230716163742019

我们来看一下寄存器的详情，这里以 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 为例：

image-20230716163942749

图中的MUX_MODE就是用于选择该引脚功能。SION的话是一种loopback回环模式，一般是用于测试。

2.2 设置引脚参数

  • IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_<PAD_NAME>： pad pad xxx，设置某个 pad 的参数
  • IOMUXC_SW_PAD_CTL_GRP_<GROUP NAME>： pad grp xxx，设置某组引脚的参数
image-20230716164447492

我们来看一下寄存器的详情，这里就不写了，因为其实我们之前学习过STM32的话，这些都是大差不差，无非就是参数多一些少一些，功能大体是一样的，按我自己的理解，无非就是I.MX6ULL性能比较强，可以跑操作系统，感觉就像是性能比较强的单片机，它们有很多都是想通的。

3. GPIO模块内部

内部框图如下：

image-20230716164927192

我们暂时只需要关心 3 个寄存器 ：

（1）GPIOx_GDIR：设置引脚方向，每位对应一个引脚， 1-output， 0-input

（2）GPIOx_DR：设置输出引脚的电平，每位对应一个引脚， 1-高电平， 0-低电平

（3）GPIOx_PSR：读取引脚的电平，每位对应一个引脚， 1-高电平， 0-低电平

4. 如何编程？

可以参考《i.MX 6ULL Applications Processor Reference Manual》的28.4.3 GPIO Programming 。

4.1 读GPIO

image-20230716165213581

（1）设置 CCM_CCGRx 寄存器中某位使能对应的 GPIO 模块 ，默认是使能的，上图省略了

（2）设置 IOMUX 来选择引脚用于 GPIO

（3）设置 GPIOx_GDIR 中某位为 0，把该引脚设置为输入功能

（4）读 GPIOx_DR 或 GPIOx_PSR 得到某位的值（读 GPIOx_DR 返回的是GPIOx_PSR 的值）

4.2 写GPIO

image-20230716165320073

（1）设置 CCM_CCGRx 寄存器中某位使能对应的 GPIO 模块 ，默认是使能的，上图省略了

（2）设置 IOMUX 来选择引脚用于 GPIO

（3）设置 GPIOx_GDIR 中某位为 1，把该引脚设置为输出功能

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需要注意的是， 可以设置该引脚的 loopback 功能，这样就可以从GPIOx_PSR 中读到引脚的有实电平；从 GPIOx_DR 中读回的只是上次设置的值，它并不能反应引脚的真实电平，比如可能因为硬件故障导致该引脚跟地短路了，通过设置 GPIOx_DR 让它输出高电平并不会起效果。

三、GPIO使用总结

要将 I.MX6U 的 IO 作为 GPIO 使用，我们需要一下几步：

①、使能 GPIO 对应的时钟。

②、设置寄存器 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX，设置 IO 的复用功能，使其复用为 GPIO 功能。

③、设置寄存器 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_XX_XX，设置 IO 的上下拉、速度等等。

④、第②步已经将 IO 复用为了 GPIO 功能，所以需要配置 GPIO，设置输入/输出、是否使用中断、默认输出电平等。