LPC1114通用輸入/輸出端口（GPIO）

在第一節(jié)中已經(jīng)介紹過(guò)，LPC1114處理器是一個(gè)32位結(jié)構(gòu)的處理器，但它的GPIO端口沒(méi)有把32根引腳都接出來(lái)，而是每組只接出來(lái)12根引腳（注意，第四組只接出來(lái)6根引腳），共有4組，一共42根引腳。它們都具有如下特點(diǎn)：

1.可通過(guò)軟件配置GPIO引腳為輸入或輸出
2.每個(gè)獨(dú)立的端口引腳均可作為外部中斷的輸入引腳（邊沿或電平觸發(fā)）
3.邊沿觸發(fā)中斷可配置為上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)以及雙邊沿觸發(fā)
4.電平觸發(fā)中斷引腳可以配置為高電平或低電平觸發(fā)
5.所有GPIO引腳默認(rèn)情況下均為輸入
6.從端口讀取和寫入數(shù)據(jù)操作可以通過(guò)地址位13:2屏蔽

端口的具體使用配置會(huì)在后面一一進(jìn)行討論，這里先來(lái)看一下“通用輸入/輸出端口GPIO”的結(jié)構(gòu)體是如何定義的，代碼如下。
typedef struct

{

union {

__IO uint32_t MASKED_ACCESS[4096];/*!< Offset: 0x0000 to 0x3FFC Port data Register for pins PIOn_0 to PIOn_11 (R/W) */

struct {

uint32_t RESERVED0[4095];

__IO uint32_t DATA;/*!< Offset: 0x3FFC Port data Register (R/W) */

};

};

uint32_t RESERVED1[4096];

__IO uint32_t DIR;/*!< Offset: 0x8000 Data direction Register (R/W) */

__IO uint32_t IS;/*!< Offset: 0x8004 Interrupt sense Register (R/W) */

__IO uint32_t IBE;/*!< Offset: 0x8008 Interrupt both edges Register (R/W) */

__IO uint32_t IEV;/*!< Offset: 0x800C Interrupt event Register(R/W) */

__IO uint32_t IE;/*!< Offset: 0x8010 Interrupt mask Register (R/W) */

__I uint32_t RIS;/*!< Offset: 0x8014 Raw interrupt status Register (R/ ) */

__I uint32_t MIS;/*!< Offset: 0x8018 Masked interrupt status Register (R/ ) */

__O uint32_t IC;/*!< Offset: 0x801C Interrupt clear Register (R/W) */

} LPC_GPIO_TypeDef;

上述代碼對(duì)LPC1114的GPIO端口的進(jìn)行了結(jié)構(gòu)體定義，由于GPIO位于內(nèi)存地圖中的AHB部分，所以從代碼中可以看出，同前面討論的結(jié)構(gòu)體一樣，它定義的成員變量利用偏移地址與AHB中的GPIO寄存器進(jìn)行了對(duì)映。特殊的地方在于多了一個(gè)關(guān)于union的定義，要弄清這個(gè)定義，還必須回到AHB模塊部分的寄存器描述中去。下圖就給出了AHB模塊內(nèi)GPIO部分的寄存器分布情況。

對(duì)應(yīng)上圖與結(jié)構(gòu)體中的內(nèi)容可以看出，除了GPIODATA以外，其它寄存器與結(jié)構(gòu)體成員的對(duì)映關(guān)系與前面討論的SYSCON的一樣。但對(duì)于GPIODATA就不能用前面的方法來(lái)分析了。下面就著重來(lái)討論一下GPIODATA寄存器與其結(jié)構(gòu)體成員之間是如何進(jìn)行對(duì)映的。

GPIODATA寄存器是GPIO的數(shù)據(jù)寄存器，它存放的數(shù)據(jù)直接被輸出到GPIO的引腳上，引腳輸入的數(shù)據(jù)也會(huì)被放到該寄存器中。所以要對(duì)端口進(jìn)行電平控制（無(wú)論是輸入還是輸出），就要對(duì)GPIODATA寄存器進(jìn)行操作。同樣，GPIODATA寄存器也是一個(gè)32位的結(jié)構(gòu)，其地址占用4個(gè)字節(jié)。而GPIO端口只有12個(gè)引腳，因此GPIODATA寄存器只用了低12位來(lái)對(duì)映GPIO端口引腳。

從上圖中還可以看出，GPIODATA寄存器的偏移地址是從0x0000~0x3FFC。最高地址是0x3FFC是因?yàn)?，每個(gè)GPIODATA寄存器單元占用4 字節(jié)，所以共有0x3FFC/4=0xFFF個(gè)（即4095個(gè)）GPIODATA寄存器單元，因?yàn)榈刂肥菑牡?個(gè)單元算起的，所以總共有4096個(gè)單元。而2的12次方剛好就等4096，所以它剛好可以表征12個(gè)引腳的容量。由此可以看出，每個(gè)引腳電平的值（無(wú)論是輸入還是輸出）都可以在GPIODATA寄存器中找到一個(gè)對(duì)映的單元（因?yàn)橛?096個(gè)引腳狀態(tài)就有4096個(gè)GPIODATA地址單元）。這樣做是為什么呢？為什么不把端口引腳統(tǒng)一用一個(gè)端口寄存器來(lái)描述（姑且稱為“方法一”），寫（或讀）這個(gè)端口寄存器不就行了？其實(shí)，其它大部分單片機(jī)也確實(shí)是這樣做的。而這里L(fēng)PC1114卻要花費(fèi)4096個(gè)地址單元來(lái)把引腳狀態(tài)全部描述一遍（姑且稱為“方法二”），也肯定是有它的理由的。其實(shí)，應(yīng)該說(shuō)LPC1114是兩種方法都包含的（因?yàn)閲?yán)格來(lái)說(shuō)，“方法一”包含于“方法二”）。至于“方法二”的優(yōu)點(diǎn)，其實(shí)就是可以在不改變其它引腳狀態(tài)下，單獨(dú)改變某一引腳上的電平。按理說(shuō)，通過(guò)“與或”的邏輯操作方式，也可以讓“方法一”實(shí)現(xiàn)這一功能（其它單片機(jī)也是這樣做的），但它必須通過(guò)“讀——修改——寫”的步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如要實(shí)現(xiàn)僅對(duì)P0端口的第7個(gè)引腳輸出高電平，程序可寫為“P0 |= 1<<7”，其實(shí)就是“P0 =P0| 0b10000000”，這就可以看出，它先要把P0的值讀出來(lái)，然后進(jìn)行修改（和0b10000000相與），最后再把結(jié)果寫回P0去。而“方法二”就簡(jiǎn)單多了，直接訪問(wèn)地址為0b10000000的單元就行了。下面詳細(xì)來(lái)討論方法二是如何實(shí)現(xiàn)位操作的。

為了實(shí)現(xiàn)“方法二”的位操作，在LPC1114中引入了一個(gè)新的概念——屏蔽（MASK）。它利用一個(gè)14位的結(jié)構(gòu)來(lái)描述屏蔽操作，只有在屏蔽結(jié)構(gòu)中值為1的位所對(duì)應(yīng)的端口引腳值才會(huì)生效。例如要改變端口第7個(gè)引腳的電平，那么在這個(gè)端口所對(duì)應(yīng)的屏蔽結(jié)構(gòu)中，與第7個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的屏蔽位的值必須為1才行。同時(shí)要注意，屏蔽位并不是與端口位置一一對(duì)應(yīng)的，而是屏蔽結(jié)構(gòu)整體“左移”了兩位再來(lái)對(duì)應(yīng)！由于端口引腳數(shù)量為12，屏蔽結(jié)構(gòu)又整體“左移”兩位，所以它才需要用一個(gè)14位的結(jié)構(gòu)來(lái)描述。據(jù)此，那么剛才第7個(gè)引腳所對(duì)應(yīng)的屏蔽位應(yīng)該是第9位。要改變第7個(gè)引腳的電平，屏蔽結(jié)構(gòu)中的第9位的值要是1才行。此過(guò)程可用下圖來(lái)描述，至于為何屏蔽結(jié)構(gòu)要“左移”兩位，后面會(huì)進(jìn)行詳細(xì)討論。

在上圖中，第一行表示的就是屏蔽結(jié)構(gòu)，可見它是一個(gè)14位的結(jié)構(gòu)，并且低兩位沒(méi)有用。第二行表示要寫入到端口引腳上的值，如果第一行的屏蔽值都為1，那么第二行的這12個(gè)值就會(huì)被原封不動(dòng)地寫到12位端口引腳上去。第三行表示的就是端口引腳上的值，可見由于屏蔽結(jié)構(gòu)中只有第9位的值為1，所以對(duì)應(yīng)到要寫入的數(shù)據(jù)第7位的值（1）就寫到了端口引腳的第7位上去了（第7腳輸出高電平），而端口引腳的其它位則保持不變（不論要寫入的數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的位是何值），這就是屏蔽結(jié)構(gòu)的作用。前面討論過(guò)，這個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)涵蓋了12位的所有組合狀態(tài)，所以從全部不屏蔽（0x000）到全部屏蔽（0xFFF），都包含在了其中。由此可以看出，當(dāng)屏蔽結(jié)構(gòu)的值為全部屏蔽（0xFFF）時(shí)，就是要寫入的數(shù)據(jù)值全部都關(guān)聯(lián)（輸入或輸出）到端口引腳，這也就是前面提到的“方法一”的做法，相當(dāng)于直接寫數(shù)據(jù)到端口。所以說(shuō)“方法二”包含了“方法一”。

從上圖還可以看出，GPIODATA的地址是GPIO基址+屏蔽地址（偏移地址）。在LPC1114中共有4組GPIO端口，它們的基址分別是：port0為0x50000000；port1為0x50010000；port2為0x50020000；port3為0x50030000。而每組端口都有自己的屏蔽地址，4組GPIO基址加上各自的屏蔽地址后就是：port0為0x50000000~0x50003FFC；port1為0x50010000~0x50013FFC；port2為0x50020000~0x50023FFC；port3為0x50030000~0x50033FFC。每組都有4096個(gè)32位的單元。

接下來(lái)討論為何屏蔽結(jié)構(gòu)要“左移”兩位再來(lái)對(duì)應(yīng)。關(guān)于這一點(diǎn)，即便在管方文檔中也沒(méi)有給出解釋。但通過(guò)觀察可以看出，雖然屏蔽結(jié)構(gòu)只用了14位來(lái)描述，但由于處理器本身是32位結(jié)構(gòu)的，所以其實(shí)每個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)本身的長(zhǎng)度還是32位的，只不過(guò)它只用了低14位就足夠了。換句話說(shuō)，一個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)要占用4個(gè)字節(jié)的地址。而全部（4096個(gè)）屏蔽結(jié)構(gòu)就要占用4×4096個(gè)地址，因?yàn)榈刂肥菑?算起的，所以整個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)所占用的地址是4×4096－1＝16383個(gè)，也即十六進(jìn)制的0x3FFC個(gè)。對(duì)應(yīng)上面的“GPIO寄存器分布情況表”會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)值正好是GPIODATA寄存器地址偏移的最大值。那這兩個(gè)之間會(huì)有什么關(guān)系呢？其實(shí)只能證明一點(diǎn)，在引入了屏蔽結(jié)構(gòu)的概念后，屏蔽結(jié)構(gòu)就是GPIODATA寄存器！更確切的說(shuō)是地址為0x000~0x3FF8這段的GPIODATA寄存器（因?yàn)樽詈笠粋€(gè)地址為0x3FFC的屏蔽結(jié)構(gòu)是全部不屏蔽（值全為1），可以認(rèn)為它無(wú)屏蔽作用，所以一般把它當(dāng)作端口寄存器用（即“方法一”））。

由于C語(yǔ)言中的共用體（或稱聯(lián)合體）就具有地址空間復(fù)用的特點(diǎn)，所以利用共用體來(lái)定義GPIODATA是最為合適的。下面單獨(dú)把這部分定義剔出來(lái)討論，代碼如下。

union {

__IO uint32_t MASKED_ACCESS[4096];/*!< Offset: 0x0000 to 0x3FFC Port data Register for pins PIOn_0 to PIOn_11 (R/W) */

struct {

uint32_t RESERVED0[4095];

__IO uint32_t DATA;/*!< Offset: 0x3FFC Port data Register (R/W) */

};

};

可以看出，在共用體中定義了兩個(gè)部分的復(fù)用內(nèi)容。第一個(gè)部分是一個(gè)“uint32_t”型的MASKED_ACCESS（屏蔽）數(shù)組，一共定義了4096個(gè)元素空間。每個(gè)數(shù)組元素占用4個(gè)字節(jié)地址，4096個(gè)MASKED_ACCESS數(shù)組共占用0x3FFC的地址空間，每個(gè)單元都具有可讀可寫的屬性（__IO）。從地址分配可以看出，這個(gè)數(shù)組包括了從屏蔽所有位（地址0x0000）到不屏蔽任何位（地址0x3FFC）的所有屏蔽結(jié)構(gòu)部分。MASKED_ACCESS[0]對(duì)應(yīng)地址0x0000，屏蔽所有位；MASKED_ACCESS[1]對(duì)應(yīng)地址是0x0004（每個(gè)占用4字節(jié)），二進(jìn)制數(shù)是0b00000000000100（14位，左移兩位來(lái)對(duì)映），即不屏蔽端口第0位引腳；MASKED_ACCESS[2]對(duì)應(yīng)地址是0x0008，二進(jìn)制數(shù)是0b00000000001000（14位，左移兩位來(lái)對(duì)映），即不屏蔽端口第1位引腳；MASKED_ACCESS[3]對(duì)應(yīng)地址是0x000C，二進(jìn)制數(shù)是0b00000000001100（14位，左移兩位來(lái)對(duì)映），即不屏蔽端口第0位和第1位引腳；MASKED_ACCESS[4]對(duì)應(yīng)地址是0x0010，二進(jìn)制數(shù)是0b00000000010000（14位，左移兩位來(lái)對(duì)映），即不屏蔽端口第2位引腳；如此等等；最后一個(gè)數(shù)組元素是MASKED_ACCESS[4095]，對(duì)應(yīng)地址是0x3FFC，二進(jìn)制數(shù)是0b11111111111100（14位，左移兩位來(lái)對(duì)映），即不屏蔽任何端口引腳。

到此，就應(yīng)該可以來(lái)回答剛才的問(wèn)題“為何屏蔽結(jié)構(gòu)要用12位左移2位來(lái)表示了”。這是由于，每個(gè)MASKED_ACCESS數(shù)組元素之間差了4個(gè)字節(jié)，為了讓每個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)都可以對(duì)應(yīng)到各自對(duì)映的數(shù)組元素，必須對(duì)每個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)乘以4。然而在位運(yùn)算中，左移2位就相當(dāng)于乘以4，所以用左移了2位的14位屏蔽結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于給每個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)都乘以4，這就免去了對(duì)4096個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)都乘以4的操作指令！這是屏蔽結(jié)構(gòu)要左移兩位真正原因所在！

共用體中的第二個(gè)部分是一個(gè)“uint32_t”型的變量DATA。由于其前面定義了4095個(gè)“uint32_t”型空數(shù)組，避開了屏蔽結(jié)構(gòu)中的前4095個(gè)單元。所以最后的變量DATA的起始地址就是0x3FFC，也就是最后一個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)的地址。前面說(shuō)過(guò)，最后一個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)的值是全1，即不屏蔽。而這里用變量DATA來(lái)代替最后一個(gè)屏蔽結(jié)構(gòu)，做法非常巧妙。相當(dāng)于對(duì)DATA寫什么值，在端口的引腳上就可以得到相應(yīng)的電平。此時(shí)可認(rèn)為它就是端口寄存器，而不是屏蔽結(jié)構(gòu)。DATA也必須具有可讀可寫的屬性（__IO）。

下面用一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明一下整個(gè)過(guò)程。例如，要讓第0組GPIO的第0、3、10位輸出1，其它位保持不變，需要如何操作。

首先看，要這三位輸出1，先要給這三位對(duì)應(yīng)的屏蔽位寫1，則它們對(duì)應(yīng)的14位屏蔽結(jié)構(gòu)應(yīng)該是“0b01000000100100”，換算成十六進(jìn)制是“0x1024”。這個(gè)“0x1024”就是在0x0000~0x3FFC地址之間的一個(gè)單元，也即通過(guò)共用體對(duì)映到了4096個(gè)MASKED_ACCESS數(shù)組元素中的其中一個(gè)。但它到底是哪個(gè)MASKED_ACCESS數(shù)組元素呢？由于它們之間是4倍的關(guān)系，所以0x1024/4=0x409，十進(jìn)制為1033，即MASKED_ACCESS[1033]單元。而寫給端口的數(shù)據(jù)則是不左移的12位，即“0b010000001001”，換算成十六進(jìn)制剛好就是“0x409”，十進(jìn)制為1033，即該數(shù)組元素的編號(hào)。因此，通過(guò)執(zhí)行MASKED_ACCESS[1033]=0x409，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)第0、3、10位輸出1。而實(shí)際上，執(zhí)行MASKED_ACCESS[1033]=0xFFF效果也是一樣的，因?yàn)槌说?、3、10位為1以外，其它位可為任何值。同理，要對(duì)第0、3、10位輸出0，執(zhí)行MASKED_ACCESS[1033]=0x000和執(zhí)行MASKED_ACCESS[1033]=0xBF6是一樣的效果。

所以綜上所述，MASKED_ACCESS要引用的數(shù)組單元，就是要輸出到引腳上12位值的十進(jìn)制數(shù)。當(dāng)然，要實(shí)際引用，還要在程序預(yù)定義部分進(jìn)行地址對(duì)映，代碼如下。

#define LPC_AHB_BASE (0x50000000UL)
#define LPC_GPIO0_BASE (LPC_AHB_BASE + 0x00000)
#define LPC_GPIO1_BASE (LPC_AHB_BASE + 0x10000)
#define LPC_GPIO2_BASE (LPC_AHB_BASE + 0x20000)
#define LPC_GPIO3_BASE (LPC_AHB_BASE + 0x30000)
#define LPC_GPIO0 ((LPC_GPIO_TypeDef *) LPC_GPIO0_BASE )
#define LPC_GPIO1 ((LPC_GPIO_TypeDef *) LPC_GPIO1_BASE )
#define LPC_GPIO2 ((LPC_GPIO_TypeDef *) LPC_GPIO2_BASE )
#define LPC_GPIO3 ((LPC_GPIO_TypeDef *) LPC_GPIO3_BASE )

有了上述預(yù)定義，剛才的例子就可以執(zhí)行LPC_GPIO0->MASKED_ACCESS[1033]=0x409來(lái)實(shí)現(xiàn)了。

再來(lái)回顧一下前面第一個(gè)演示示例中對(duì)端口2的操作，主要代碼如下。

while(1)
{
LPC_GPIO2->DATA = 0xAAA;
delay_ms(500);
LPC_GPIO2->DATA = 0x555;
delay_ms(500);
}
從中可以看出，它是通過(guò)“方法一”，即直接寫DATA變量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樗娜?2位都在變化，所以采用了這種方式。

剩于共用體定義中的其它部分，由于與SYSCON分析中的一樣，可自行參考前面的內(nèi)容來(lái)分析，這里就不再贅述了。最后不要忘記一點(diǎn)，由于在程序中引入了共用體union，所以在預(yù)定義部分要加下一句“#pragma anon_unions”，這在前面章節(jié)已經(jīng)闡述過(guò)了。如果用包含頭文件的方式的話，該定義存在于頭文件LPC11xx.h中。