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[導(dǎo)讀]關(guān)于GPIO,先來看個笑話 面試官:“聽說過GPIO么?” 工程師:“聽說過,經(jīng)常用。” “GPIO是什么?“” “。。。。。。GPIO就是GPIO啊。。?!?“GPIO有什么用?” “。。。。。。不知道。。?!?“好了,你可以回去了。” 下面就來好好說說這個熟悉又陌生的

關(guān)于GPIO,先來看個笑話


面試官:“聽說過GPIO么?”

工程師:“聽說過,經(jīng)常用?!?/span>

“GPIO是什么?“”

“。。。。。。GPIO就是GPIO啊。。?!?/span>

“GPIO有什么用?”

“。。。。。。不知道。。?!?/span>

“好了,你可以回去了?!?/span>


下面就來好好說說這個熟悉又陌生的GPIO。


GPIO是什么?


字面意思看,GPIO=General Purpose Input Output,通用輸入輸出。有時候簡稱為“IO口”。通用,就是說它是萬金油,干什么都行。輸入輸出,就是說既能當輸入口使用,又能當輸出口使用。端口,就是元器件上的一個引腳。怎么用?寫軟件控制。


總結(jié):GPIO就是芯片上的一根干啥都行的引腳。


講了這么多,相信不懂的人還是一頭霧水,咱們對著案例看看GPIO怎么用至于上拉、下拉、懸空、高阻、開漏、推挽之類的概念,可以以后再慢慢琢磨。




GPIO的簡單用法


輸出控制信號

硬件工程師必備:GPIO應(yīng)用匯總

GPIO控制LED燈的開關(guān)


GPIO用來做開關(guān)控制,是最常見的應(yīng)用場景。


如上圖,P21這個GPIO口,輸出1的時候,LED403點亮,輸出0或者沒有輸出的時候,LED403熄滅。


GPIO口是怎么被控制的呢?通過軟件代碼。需要亮燈的時候調(diào)用GPIO口拉高的函數(shù),需要熄燈的時候調(diào)用GPIO拉低的函數(shù),即可實現(xiàn)控制。函數(shù)的操作,最終變成了向這個GPIO的硬件寄存器寫入數(shù)據(jù),硬件的狀態(tài)會跟隨寄存器的數(shù)據(jù)改變而改變。


硬件寄存器在這里可以理解為一個電子開關(guān),好比你告訴家里的保姆說“去吧客廳的燈關(guān)上”,他就走過去按動燈的開關(guān),然后燈就滅了。你下的這個指令的動作相當于調(diào)用了GPIO操作的函數(shù),保姆去按開關(guān)這個動作相當于函數(shù)配置寄存器。


當然你也可以直接去按這個開關(guān)(直接操作寄存器),這個做法雖然能工作,但是在代碼設(shè)計中是不符合規(guī)范的。后續(xù)修改中很容易導(dǎo)致誤操作。實際操作中需要預(yù)先初始化,配置GPIO的參數(shù),把寄存器建立接口給其他進程調(diào)用等軟件類的操作,這里就不詳述了。


輸入中斷信號

硬件工程師必備:GPIO應(yīng)用匯總

重力傳感器輸出中斷信號給MCU的GPIO口


G-sensor,也叫做重力傳感器/加速度傳感器/運動傳感器,檢測設(shè)備是否在運動的。咱們平時用的藍牙手環(huán)的計步器主要就是根據(jù)G-sensor采樣回來的運動數(shù)據(jù)計算而來的。


設(shè)備不動的時候,G-sensor和MCU都是休眠狀態(tài)以節(jié)省電量。


設(shè)備動一動,G-sensor感受到了就被喚醒了,就往中斷口上(GSENSOR_INT)發(fā)一個高電平信號,MCU感受到這個中斷口的電平從低變成高了,就退出休眠開始正常運行。


然后MCU就通過I2C數(shù)據(jù)接口讀取G-sensor里的數(shù)據(jù)。


如何理解中斷呢?你正在睡覺,突然有人來找你,他就要先把你搖醒才行。這就是把你的睡眠中斷了,讓你從睡眠中被喚醒(如同上述例子)。


同樣,如果你正在看電影,突然手機鈴聲響了,一看是女朋友來電話了,就要把電影暫停,保留電影當前的播放位置,然后去接女朋友的電話。接完了電話,再繼續(xù)從之前的播放位置開始播放。


這個電話就是中斷信號,保存電影位置就是中斷響應(yīng)前的狀態(tài)入棧,接電話的過程就是中斷服務(wù)程序,掛了電話繼續(xù)播放就是中斷的狀態(tài)出棧。


可能有人會說,為什么多此一舉,G-sensor不能直接把數(shù)據(jù)發(fā)送給MCU么?這是因為I2C只能由主設(shè)備主動發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼埱?,從設(shè)備是不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)的(只能任由主設(shè)備過來讀取數(shù)據(jù))。關(guān)于I2C協(xié)議的內(nèi)容,請見相關(guān)文章。


但凡I2C接口且持續(xù)工作的設(shè)備,都需要有一個中斷輸出,用來告訴主機“我已經(jīng)準備好數(shù)據(jù)了,你快點過來取走吧”。


用GPIO做中斷,還需要特別特別注意一條:如果選擇這個中斷口來喚醒系統(tǒng),那一定要對照芯片規(guī)格書看清楚,選擇的中斷口能不能喚醒系統(tǒng)?


對于大部分單片機,幾乎每一個中斷口都可以喚醒系統(tǒng),但對于高主頻的處理器,如手機和平板電腦的,并不是所有的GPIO都可以配置成中斷,也不是所有的中斷都能喚醒系統(tǒng)。


如果選擇了一個不能喚醒系統(tǒng)的中斷口做上述示例,一旦MCU進入休眠,外設(shè)就失效了。


用作按鍵輸入

硬件工程師必備:GPIO應(yīng)用匯總

GPIO做按鍵檢測


按鍵嚴格來講也是個中斷。GPIO口默認狀態(tài)是低電平,按鍵按下后被拉到高電平,此時系統(tǒng)能夠檢測到中斷,判定為按鍵按下。


等到按鍵釋放了,GPIO口檢測到電壓回歸低電平,就判定為按鍵松開了。這種做法是單片機上比較常見的做法。在智能一些的硬件平臺上,往往會有獨立的硬件按鍵接口(非GPIO口),在芯片內(nèi)部加入按鍵控制器,通過硬件實現(xiàn)按鍵的去抖、雙擊和長按判斷。


對于單片機,一旦被按鍵觸發(fā)之后,內(nèi)部就開始跑程序,每隔幾個毫秒讀取一次按鍵狀態(tài),判斷按鍵是否被釋放。通過軟件實現(xiàn)去抖、雙擊和長按的功能。


圖上的電容,用處是濾除外部干擾,避免被誤觸發(fā),同時起到一定的按鍵去抖作用。圖上的TVS管,是為了防止靜電進入CPU。


可能會有人問,按鍵按下就是按下了,為什么會抖動?


因為按鍵都是機械式的,兩個金屬片在接觸的瞬間,從微秒級的時間段來看,會存在接觸-斷開-再接觸這樣的輕微的抖動。直到兩個金屬片牢牢的接觸到一起之后,抖動才會消失。所謂按鍵去抖動,就是通過延時來消除掉接觸再斷開這種異常狀態(tài)的。


如果GPIO口不夠,但是需要做多個按鍵的檢測,也可以把按鍵配置成為ADC,通過不同按鍵產(chǎn)生不同的電壓,來利用一個ADC口檢測到不同的鍵值。這個做法通常用于手機3.5mm有線耳機上的3個按鍵的檢測。




GPIO的高階應(yīng)用


GPIO除了簡單的輸入輸出之外,還可以做一些相對復(fù)雜的操作,例如模擬I2C或SPI數(shù)據(jù)線、ADC電壓檢測、輸出PWM波形等。
這些功能有些可以直接配置成硬件接口,也可以通過軟件來模擬波形。


用作I2C接口

硬件工程師必備:GPIO應(yīng)用匯總

GPIO用作I2C數(shù)據(jù)總線

硬件工程師必備:GPIO應(yīng)用匯總


I2C時序圖


I2C是智能硬件電路上最常用的數(shù)據(jù)傳輸總線,只需要2根線,就能夠掛載多個從設(shè)備,能夠雙向傳輸,最大速度可達400Kbps,非常適合傳輸控制指令和小量數(shù)據(jù)。


平時大家用的G-sensor傳感器、光距離傳感器、電容觸摸屏、LED燈控制器、攝像頭的控制命令等,幾乎都是I2C接口的。


GPIO口用作I2C,算是GPIO傳數(shù)據(jù)的最常用的方式。如果芯片內(nèi)部自帶I2C控制器,可以直接配置GPIO切換到硬件I2C上。例如單片機幾乎都可以這么做。


如果芯片內(nèi)部的I2C接口不夠用,還可以通過軟件控制GPIO口拉高拉低來模擬I2C的波形和時序,照樣可以當作I2C使用。


同樣的模擬數(shù)據(jù)線的做法,還可以用GPIO來模擬SPI。只要是帶時鐘的低速同步數(shù)據(jù)線,都可以用GPIO口來模擬。


但是GPIO口不能用來模擬UART串口。因為UART沒有時鐘線,需要非常精準的按照約定的時間間隔輸出波形,軟件定時器不準,硬件定時器占用系統(tǒng)資源多,所以很難實現(xiàn)。


PWM輸出

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GPIO輸出PWM波控制蜂鳴片

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不同占空比的PWM波形


GPIO口輸出PWM波,跟當作I2C使用的性質(zhì)上是一樣的??刂艷PIO口 定時拉高拉低,就可以輸出PWM波形。


如上圖,就是通過PWM來控制外部升壓電路,驅(qū)動蜂鳴片發(fā)出聲音的。PWM還可以用于控制LED燈的調(diào)光,改變PWM輸出的占空比,調(diào)節(jié)燈光亮度


ADC采樣

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GPIO用作ADC采樣,采集電池電壓

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電池分壓后給ADC采樣


ADC,Analog-to-Digital Converter,把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。ADC的應(yīng)用范圍很廣,麥克風(fēng)音頻數(shù)據(jù)的采樣、電壓電流信號的采樣、模擬傳感器輸出的數(shù)據(jù)的量化等。


受限于精度、量程、采樣速度等,GPIO的ADC一般不做太復(fù)雜的應(yīng)用,大部分時候只做電壓采集。


如上圖,把GPIO口配置成為ADC模式,采集電池電壓,用于做電池電量顯示。這個做法只適合做簡單的電池電壓顯示,如果要做類似智能手機的百分之一精度的電池電量管理,還需要外加更高精度的ADC和電池補償算法。


GPIO做ADC,最常遇到的問題是:

一,不是所有的GPIO口可以做ADC使用,一定要看清楚規(guī)格書!

二,ADC有電壓域限制的,3V供電的ADC測量不到超過3V的電壓。例如上面第一張圖,MCU用3V電池供電,此時GPIO/ADC的供電電壓是3V,最大量程也是3V,可以測量到電池電壓。而第二張圖鋰離子電池電壓是4.2V,MCU供電是3V,GPIO/ADC工作電壓也是3V,就量不到這么高的電壓了。超出量程測量出來的都是一樣的。因此利用電阻分壓,把4.2V的電池電壓折半降低到2.1V,給3V量程的ADC使用。

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