ARM裸机开发：汇编LED灯实验（I.MX6UL芯片）

ARM裸机开发：汇编LED灯实验（I.MX6UL芯片）

一、I.MX6UL的GPIO原理

研究IMX6UL GPIO 原理前先回忆一下STM32GPIO配置流程，其主要分为4个步骤：

1. 使能指定 GPIO 的时钟。
2. 初始化 GPIO，如输出功能、上拉、速度等
3. 是否开启 IO 复用将IO作为其它外设 引脚使用
4. 设置初始输出的电平高低

下面我们学习 IMX6UL 的 GPIO 原理也是按照这样的流程来学习

1.1 I.MX6UL IO命名

学习前先了解一下 IMX 的命名方式，在以前学STM32时他的 IO 口是按照一组一组来命名的，如PA是一组，一组里面有16个 IO 口即 PA0-PA15；而在 IMX6UL里面命名方式则大不一样，I.MX6UL 的 IO 主要分为两类：SNVS 域IO和通用 IO

SNVC域 IO 命名： IOMUXC_SNVC_SW_MUX_CTL_PAD_XX_XX，后面的 XX_XX 就是 GPIO 命名， 比如：BOOT_MODE0 等等

通用 IO 命名： IOMUXC_SW_MUX_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

具体IO文档可以参考 IMX6UL 官方文档

1.2 I.MX6UL IO复用

IO 复用是通过一个寄存器来控制的，这里我以 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 为例子，翻阅手册可以看到一个 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO01 的32位寄存器，寄存器如下：

可以看到寄存器的地址为 20E_005CH 低5位用于模式控制分为 SION 和 MUX_MODE，其他的则是保留位

MUX_MODE 的0到3位对应具体模式，具体有以下几个：

MUX_MODE	复用模式
0000	ALT0 复用为 IIC2_SCL
0001	ALT1 复用为 GPT1_CAPTURE1
0010	ALT2 复用为 ANATOP_OTG1_ID
0011	ALT3 复用为 ENET1_REF_CLK1
0100	ALT4 复用为 MQS_RIGHT
0101	ALT5 复用为 GPIO1_IO00
0110	ALT6 复用为 ENET1_1588_EVENT0_IN
0111	ALT7 复用为 SRC_SYSTEM_RESET
1000	ALT8 复用为 WDOG3_WDOG_B

SION 的控制功能如下：

SION	功能
0	IO输入路径按照复用的模式来
1	IO输入路径强制按照GPIO1——IO00来

以上就是 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00 的复用寄存器一个简单的介绍，不同的 IO 他的复用寄存器不完全相同，需要根据手册具体去查询

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 有 12 个 IO，一共有 124 个 GPIO

1.3 I.MX6UL IO配置

1.2 讲述的是 IO 口的复用配置寄存器，但 IO 的具体工作配置还有另外一个寄存器进行控制，继续以 GPIO1 组的 IO00 为例子；具体 IO 工作配置寄存器由 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO00 控制，该寄存器如下：

其不同位控制的 IO 配置功能不同，需要结合 IO 的工作原理图来理解，上 IO 原理图：

寄存器分析：

HYS(bit16)： 对应图中 HYS，用来使能迟滞比较器，在 IO 输入时有效，可以用来对输入波形进行处理，关于迟滞比较器可以看这篇文章 ： 迟滞比较器；HYS 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)： 图中的 PUS，用来设置上下拉电阻的：

位	功能
00	100k 下拉
01	47k 上拉
10	100k 上拉
11	22k 上拉

PUE(bit13)： 上图没有显示，当 IO 作为输入的时候，这个位用来设置 IO 是使用上下拉还是使用状态保持器。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，当外部电路断电以后此 IO 口可以保持住之前状态。

PKE(bit12)： 对应图中的 PKE，此位用来使能或者禁止上下拉或者状态保持器功能，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

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 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：

(3.3V 下 R0 是 260Ω，1.8V 下 R0 是 150Ω，接 DDR 的时候是 240Ω)

位设置	速度
000	输出驱动关闭
001	R0 ****
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。

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。高速信号压摆率要高，速度快；而要考虑电磁兼容性的话压摆率要低

压摆率参考文章：运放压摆率

1.4 I.MX6UL GPIO配置

1.2 和 1.3 讲了IO 的复用与功能寄存器配置，1.4 小节分析 IO 众多复用里面的一种 GPIO 的具体配置

首先看一下 GPIO 的结构图：

结构中可以看到 IOMUXC 里面有 SW_MUX_CTL_PAD_* 和 SW_PAD_CTL_PAD__* 两个寄存器用于配置 IO；而单独的 GPIO 配置则是另外 8 个 GPIO 自己的寄存器进行配置；

这 8 个寄存器介绍如下：

首先看 GPIOx_DR 数据寄存器，由翻译可以看到，DR 寄存器在 IO 的模式设置为 GPIO 且 GPIO 的输入输出方向确定好后，输出状态时 DR 寄存器里面的位可以控制 GPIO 的输出值，输入时则存储输入的状态值，通过读取可以获取 GPIO 状态，比如当 GPIO1_IO00 引脚接地，那么 GPIO1.DR 的 bit0 就是 0

GPIOx_IR 方向寄存器，结构如下：

GPIO_GDIR 作为方向控制，每个位指定了一位信号的方向，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

PSR 寄存器： GPIO 的状态寄存器

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

ICR1和ICR2 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，以 ICR1 为例子：寄存器结构如下：

两位一组控制一个 GPIO 的中断，和 STM32 的中断类似，每一组可配置的选线如下：

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

比如要设置 GPIO1_IO15 为上升沿触发中断，那么使用 GPIO1.ICR1=2<<30 就可以设置

IMR ： 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，1 对应中断使能，0 则是禁止

**ISR 是中断状态寄存器 ** ：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，通过读取值判断中断有没有发生

注意：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 清零

EDGE_SEL 寄存器用来设置边沿中断，该寄存器会覆盖 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，寄存器如下

1.5 I.MX6UL时钟使能

I.MX6U 有复杂的时钟系统，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，时钟系统后面学习到在分析，当前先研究 IO 时钟如何使能

时钟系统有关的模块叫做 Clock Controller Module(CCM) ，其中控制时钟使能的寄存器为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，CCM_CCGR0 结构体如图：

每 2 位控制一个外设的时钟，控制功能如下：

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(保留位)。
11	除了停止模式以外，其他所有模式下时钟都打开。

要使能对应的时钟只要置位对应的时钟控制位就行！

二、开发板原理图

正点原子阿尔法LED灯原理图如下：

LED0 接到了 GPIO_3 上，GPIO_3 就是 GPIO1_IO03

三、程序编写

程序编写按照下面的流程进行编写：

1. 使能IO时钟
2. 设置IO复用功能
3. 配置IO运行功能
4. 配置具体GPIO寄存器
5. 设置输入输出

• 使能IO时钟

配置 CCM 的 CCGR0-6 寄存器，开启所有时钟

读取立即数到 R0 、 R1，通过寄存器间接寻址将 R1 的值赋值给目标地址

ldr r0, =0X020C4068 	# CCGR0
ldr r1, =0XFFFFFFFF  
str r1, [r0]		ldr r0, =0X020C406C  	# CCGR1
str r1, [r0]ldr r0, =0X020C4070  	# CCGR2
str r1, [r0]ldr r0, =0X020C4074  	# CCGR3
str r1, [r0]ldr r0, =0X020C4078  	# CCGR4
str r1, [r0]ldr r0, =0X020C407C  	# CCGR5
str r1, [r0]ldr r0, =0X020C4080  	# CCGR6
str r1, [r0]

• 设置IO复用功能

ldr r0, =0X020E0068	# 将寄存器 SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE 地址加载到 r0 中
ldr r1, =0X5		
str r1,[r0]		# 设置寄存器 SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE 的 MODE 为5

• 配置IO运行功能

# 模式配置
# bit 16:0 HYS关闭
# bit [15:14]: 00 默认下拉
# bit [13]: 0 kepper功能
# bit [12]: 1 pull/keeper使能
# bit [11]: 0 关闭开路输出
# bit [7:6]: 10 速度100Mhz
# bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
# bit [0]: 0 低转换率# 寄存器 SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE
ldr r0, =0X020E02F4	
ldr r1, =0X10B0
str r1,[r0]

• 配置具体GPIO寄存器

# 寄存器GPIO1_GDIR
ldr r0, =0X0209C004
# 配置为输出模式
ldr r1, =0X0000008		
str r1,[r0]

• 设置GPIO输入输出值

# 寄存器GPIO1_DR
ldr r0, =0X0209C000
# 输出低电平
ldr r1, =0		
str r1,[r0]

在开头添加一个全局入口声明代码

.global _start_start
# 需要运行的代码

结尾加一个死循环，防止程序结束

loop:b loop 	

四、编译下载

编译使用 makefile 进行编译链接得到 .elf 文件，之后转化为 .bin 文件，通过 imxdownload 到 sd 下插到开发板上进行 SD 启动，具体步骤可以参考我之前的文章： Linux驱动开发：I.MX6UL 程序编译下载（SD卡）

五、实验现象

下载程序后，LED 灯点亮