英创信息技术工控主板快速GPIO操作介绍

英创公司EM928x系列和EM335x系列的工控主板均有32位GPIO0 – GPIO31并且为可独立方向可设置的通用数字IO，所有GPIO的上电初始状态均为输入状态带上拉电阻。所以在初始化状态下，每位GPIO管脚所呈现的电平均为高电平。面对丰富的GPIO资源，许多客户希望将GPIO利用起来做一下其他的应用，比如模拟SPI接口，I2C接口，以及一些总线时序等，下面就来看看GPIO的操作。

常规的GPIO操作在英创公司的主板使用手册中已经有了较为详细的介绍，下面将主要的步骤例举出来：

首先需要打开GPIO的设备文件：
fd = open('/dev/em335x_gpio', O_RDWR);

然后根据英创公司提供的接口即可实现对GPIO的操作：
rc = GPIO_OutEnable(fd, 0xffffffff); //使能GPIO
if(rc < 0)
{
printf('GPIO_OutEnable::failed %d\n', rc);
return rc;
}
rc = GPIO_OutClear(fd, GPIO0); //拉低GPIO
if(rc < 0)
{
printf('GPIO_OutClear::failed %d\n', rc);
return rc;
}

这样通过调用驱动，实现了对GPIO的控制，但是调用驱动就存在用户空间和内核空间的数据传输，还会涉及到系统调度的问题，所以当我们执行一次置低置高的操作，经测试，大概会用掉2.5μs，波形如下图：

通过驱动程序操作GPIO的波形

对于一般的应用来说，通过驱动来操作GPIO已经能够满足需求，直接使用英创公司封装好的接口函数，即可实现对应用程序的开发。但是当需要用GPIO做实时性要求较高的应用时，简单的通过驱动来控制GPIO可能就无法实现，比如需要用GPIO来模拟某种时序，调用驱动来操作可能就会让时序的一个周期过长，无法满足时序的要求。

针对这种情况，英创公司为客户提供了一种更快速的GPIO 操作方法，即通过内存映射的方法来操作GPIO，使用mmap()函数将GPIO的硬件地址映射到进程地址空间，实现对内存物理地址的读写，直接控制GPIO的寄存器，这是一种直接操作硬件的方式，避免了用户进程和内核进程的数据交换，极大地提升了效率。

首先将/dev/mem/设备文件中GPIO的地址映射到用户进程空间的代码：
void *GPIO_MMAP::gpio_em335x_pin_config(unsigned int BASE)
{
int mem_fd;
void *base;
mem_fd = open('/dev/mem', O_RDWR|O_SYNC);
printf('mem_fd is %d\n', mem_fd);
/* mmap GPIO */
base = mmap(
NULL,　　　　　　　　　　　　//　起始地址
GPIO_DEV_SIZE,　　　 　　　　//　映射的文件内容的大小
PROT_READ|PROT_WRITE,　　// 映射区域可读可写
MAP_SHARED,　　　　　　　　//　映射区域的写入数据会写回到原来的文件
mem_fd,
BASE　　　　　　　　　　　　//　被映射的硬件地址
);
close(mem_fd);
return base;
}

成功执行时，mmap()函数返回被映射区的指针。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write()等操作。只需要使用返回的地址指针在对应的寄存器的偏移地址赋值，就可以完成操作。在例程中已经将函数接口引出（详细的代码请参考例程）：
GPIO.GPIO_OutEnable(GPIO0);　　//　输出使能
GPIO.GPIO_OutClear(GPIO0);　　//　置为低电平
GPIO.GPIO_OutSet(GPIO0);　　　//　置为高电平

通过这样的方式实现GPIO操作，时序图如下：

用过内存映射操作的GPIO时序

可以看到，置低置高的操作只用了220ns左右，相比调用驱动程序所需要的2.5μs，大大的提升了效率，也已经达到了实时操作的要求。下面来看一个实际的例子，使用GPIO模拟HPI接口的写时序，HPI是一个与主机通信的并行接口，主要用于DSP与其他总线或CPU进行通信，在工业控制中，HPI接口是很常用的，所以我们就用HPI接口的时序作为例子，下面这个HPI时序有16位数据线和12位地址线：

HPI写时序图

时序要求

我们使用30位GPIO来模拟这个时序，将GPIO0~GPIO15作为16为数据线，GPIO16~GPIO28作为12为地址线，而GPIO28作为片选，GPIO29作为读写控制信号。基本的思路流程为：
①将片选，读写信号和地址线置为输出，并且为高电平。数据线置为输入。
②将数据线的寄存器置为需要的值。
③将数据线置为输出。
④拉低读写信号线，再拉低片选。
⑤这里可以根据时序要求做一点延时，拉高片选，拉高读写信号，再将数据线置为输入。

按照这样操作就基本完成了一次要求的写时序，实现的程序代码：

int GPIO_Write(unsigned int AddrBits, unsigned int DataBits)
{
unsigned int DSetBits,DClearBits;
unsigned int ASetBits,AClearBits;
ASetBits= (AddrBits << 16) & 0x0fff0000 ;　　//　地址位为1的位
AClearBits= ~ASetBits ^ 0xf000ffff ;　　　　//　地址位为0的位
printf('0x0%x\n',AClearBits);
GPIO.GPIO_OutSet(ASetBits);
GPIO.GPIO_OutClear(AClearBits);
DSetBits= DataBits & 0x0000ffff ;　　　　　//　数据位为1的位
DClearBits= ~DSetBits ^ 0xffff0000 ;　　　//　数据位为0的位

GPIO.GPIO_OutSet(DSetBits);
GPIO.GPIO_OutClear(DClearBits);
GPIO.GPIO_OutEnable(0x0000ffff);　　　　　//　设置数据线为输出

GPIO.GPIO_OutClear(GPIO29);　　　　　　　//　读写信号
GPIO.GPIO_OutClear(GPIO28);　　　　　　　//　将片选拉低

GPIO.GPIO_OutSet(GPIO28);　　　　　　　　//　将片选拉高
GPIO.GPIO_OutSet(GPIO29);　　　　　　　　//　读写信号

GPIO.GPIO_OutDisable(0x0000ffff);　　　　//　设置数据线为输入

return 1;
}

执行程序，可以看到片选和读写信号的时序为：

片选和读写信号的时序

可以看到一次写操作的时间大约在1.25μs，如果是调用驱动程序控制GPIO来实现这个时序的模拟，那效率就会变低，详细的代码请参考例程。

注意事项：我们推荐客户直接使用例程中引出的接口进行操作，不推荐客户对硬件访问这一部分代码进行修改，以免在操作的时候出现无法预估的错误。