深入了解树莓派RP2040的可编程IOs(PIO)

原文链接:A closer look at Raspberry Pi RP2040 Programmable IOs (PIO) 由Abhishek Jadhav撰写。

由于RP2040微处理器驱动树莓派Pico开发板的普及,使每位读者都想了解更多关于该板和芯片的信息。因此,今天我们将讨论RP2040的可编程IO,这一特性使其与其他大多数微控制器板不同。

RP2040中的两个PIO(PIO模式是一种通过CPU执行I/O端口指令来进行数据的读写的数据交换模式)块或我们称之为硬件接口都有四个状态机(由状态寄存器和组合逻辑电路构成,能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移,是协调相关信号动作、完成特定操作的控制中心)。这两个PIO块可以同时执行程序来操纵GPIO并传输原始数据。

现在,这些状态机做什么?

PIO状态机执行从各种来源获取的程序。有时程序取自PIO库(UART,SPI或I2C)或用户软件。

状态机工作原理图
状态机工作原理图

为什么要使用可编程I / O?

通常,所有开发板都带有对 I2C、SPI 和 UART 等数字通信协议的硬件支持。但是,如果你计划使用的这些接口多于开发板可用的接口,你就可以使用RP2040微处理器中提供的可编程IO。

它的功能超乎人们的想象。假设你想输出一个DPI视频或“与全球速卖通上找到的串行设备通信”现在可以通过可编程I/O实现。顾名思义,“可编程”IO表明它可以直接编程支持SD卡接口、VGA输出和更高的速度数据传输在内的接口。

接下来是文章中最激动人心的部分——“如何对这些可编程I/O进行编程以简化你的工作”。

如何开始RP2040 PIO编程?

Pico SDK(软件开发工具包)提供了CC ++或Arm汇编语言为基于RP2040的设备(如树莓派 Pico)编写程序所必需的头文件库和构建系统

如果你打算使用Python进行编码,则只需要在开发板上安装合适的编辑器(如Thonny)和MicroPython。但是对于C / C ++,您则需要CMake文件来告诉Pico SDK如何将C文件转换为基于RP2040的微处理器开发板的二进制应用程序,正如我们最近树莓派 Pico的MicroPython和C教程中解释的那样

PIO汇编器解析PIO源文件并输出组装后的包含在RP2040应用程序中的汇编版本。这包括基于Pico SDK构建的C和C ++应用程序以及在RP2040 MicroPython端口上运行的Python程序。

为开始给你的PIO应用程序编写状态机,有三个基于C / C ++程序的组件。

  • 一个PIO程序。
  • 基于C语言的软件运行显示。
  • 一个CMake文件,描述了如何将二者组合成程序映像以加载到基于RP2040的开发板上。

PIO汇编指令

当对这些IO接口进行编程时,有9条汇编指令“ JMP、WAIT、IN、OUT、PUSH、PULL、MOV、IRQ和SET”。虽然大多数人可能对使用C / C ++或Python语言对PIO接口进行编程感兴趣,但让我们看看用于IO接口的一些汇编语言指令。

  • JMP:此“跳转”指令可以是条件语句或非条件语句。在此,它通过更改指令指针寄存器来传输执行流程。简而言之,使用“ jmp”语句,执行流程进入代码的另一部分。
  • WAIT:该指令会暂停代码的执行。每条指令需要一个周期,除非被停止(使用WAIT指令)。
  • OUT:该指令将数据从输出移位寄存器移至其他目标,每次1…32位。
  • PULL:该指令将32位字从TX FIFO传输到输出移位寄存器中。
  • IN:该指令一次将1…32位移入寄存器。
  • PUSH:该指令用于将ISR内容写入RX FIFO。
Pico PIO汇编语言
Pico PIO汇编语言

有关汇编语言说明的更多信息,请参见RP2040数据表

C / C ++和MicroPython中的RP2040 PIO编程示例

为了简化操作,我们将研究hello_world程序,该程序使用可编程IO和TX FIFO的32位数据(PULL指令)使板载LED闪烁。

C / C ++中的程序如下所示:


上述的C / C ++代码以1秒的完整周期闪烁LED。对LED进行编程的方式是:先点亮500毫秒,然后熄灭500毫秒。但是,在状态机可以运行程序之前,我们需要将程序加载到该指令存储器中。“函数pio_add_program()在给定的PIO的指令存储器中查找程序的可用空间,并将其加载。” 这样,我们将状态机配置为将其数据输出到板载LED。

如下所示的.pio文件的汇编代码包含了设置C / C ++代码的所有C助手函数。


除此以外,你还需要一个CMake文件来描述如何将.pio和.c文件构建成二进制文件,以便加载到你的树莓派Pico开发板上。

在没有使用MicroPython编写相同示例的基础上,我们可以看到一个更简单的、用于板载LED闪烁的PIO MicroPython代码:


在这个示例中没有单独的.pio文件,且MicroPython和汇编代码都放置在.py文件中。

值得注意的是,虽然可以使用MicroPython对PIO进行编程,但Python SDK文档也指出它目前不稳定/正在开发中,因此建议使用C / C ++。

通过在RGB十六进制格式的帮助下添加要显示的颜色,可以对代码进行许多修改。然而,有很多现实生活中的示例,如PWM、UART甚至与NeoPixels的接口。对感兴趣的人而言,便可以在GitHub的CMicroPython示例库中找到许多PIO编程示例。

结论

RP2040可编程IO能够同时执行程序以支持VGA输出和高速数据传输等接口。你可以查看C / C ++Python的SDK文档中的第3章,以了解有关RP2040可编程IO的更多信息。

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