LPC800 前生今世-第七章输入输出控制器（GPIO）

恩智浦MCU加油站 2023-11-02 720

描述

一款MCU，最重要的是要有输入输出引脚，引脚的数量要够丰富，功能要够齐全，还要有灵活的输入输出控制方式。

在LPC800系列中提供了很多封装和输入输出引脚数量的选项：

恩智浦表1 LPC800各系列引脚数

没有单独的模拟比较器供电引脚，其它封装都有单独的模拟比较器供电引脚。

从表1可以看出，所有LPC800产品的引脚利用率是非常高的，除了供电引脚外，所有其它引脚，包含调试引脚、外接晶振的引脚和所有具有模拟功能的引脚，都可以作为普通的数字输入输出使用。甚至芯片的复位引脚，也可以在芯片启动后被配置为数字输入输出引脚。这大大增加了产品的可用性和配置的灵活性。

这里要强调一个重要的概念，引脚通常被称为GPIO引脚，但引脚不等同于GPIO控制器。在LPC800中，引脚的配置由IOCON模块实现，而GPIO模块只实现软件对引脚输入电平的直接读取，和对输出引脚的电平高低的控制。

所有需要用到输入输出引脚的模块，例如UART、I2C、SPI、ADC、定时器等，都需要使用IOCON配置外部引脚。使用GPIO模块之前，也都需要使用IOCON配置外部引脚。

一、LPC800的引脚配置功能

LPC800的引脚具有下述功能：

■内部上拉或下拉电阻

■漏极开路模式

■输入迟滞(Hysteresis)

■可配置的数字式毛刺滤波

■模拟模式

下图是一个标准引脚的功能示意图：恩智浦图1.引脚功能图

这个示意图可以分为三个部分，上面是输出部分，下面是输入部分，中间是一个维持输入信号的维持电路。下面几个小节分别关注不同的功能部分。

1.1 标准推拉输出

这是最常用的输出模式，图1中绿色框中的两个MOS管的导通和截止，决定了输出电平的高低。采用这种模式时，芯片直接推动对应的引脚信号，并具有一定的信号驱动能力。具体驱动能力的大小，每个产品系列会不尽相同，用户需要查看数据手册中的参数说明。

下图是LPC82x数据手册中Electrical pin characteristics列表中的相关参数：恩智浦

V_OH表示当引脚输出高时的情况，即输出电流为4mA或3mA时，引脚的电压值最多可以达到V_DD-0.4V。例如，某个引脚有一个825Ω对地电阻，当V_DD=3.3V时，电阻上的电流为4mA，达到手册规定的最大允许电流，此时引脚端的电压将不会低于2.9V，这远高于TTL或CMOS高电平的电压。

在实际应用中，通常可以用一个串联了几百Ω小电阻的LED，通过输出高电平点亮LED。小电阻的具体阻值可以按照LED的压降计算得出，或按照经验测试出来。

V_OL表示当引脚输出低时，允许外部输入电流的大小。作为例子，可以用一个串联了小电阻的LED，跨接在V_DD和引脚之间，通过输出低点亮LED。

I_OH和I_OL表示当引脚输出高或低时，能够输出或输入的电流大小。

为了一些需要大电流驱动的应用，在LPC800系列中，还有一些引脚能够输出较大的电流，当输出高时，输出电流可以达到20mA。下表是LPC82x数据手册中，关于PIO0_2、PIO0_3、PIO0_12和PIO0_16的输出参数表。利用这一特性，用户可以使用这些引脚，控制片外大电流的电路，例如直接驱动电流环的通信电路。

1.2 开漏输出

开漏模式通常用于I2C通信和其它需要双向通信的场合。控制图中“开漏输出”控制信号有效，不管输出还是输入信号，也不管输出是高还是低，绿色框中上方的那个MOS管始终处于截止状态。

使用开漏输出模式时，通常用户需要在该引脚的芯片外部设置一个上拉电阻，此电阻的大小由外部输入电路的输入阻抗决定。

当引脚输出低时，绿色框中下方的MOS管导通，引脚被拉低；此时外部上拉电阻上流过的电流，会通过引脚注入下方的MOS管，因此上拉电阻不能太小，要保证注入电流不能超出芯片能够承受的范围。从上一节的引脚参数表中可以看到，一般引脚的灌入电流为4mA，即当V_DD为3.3V时，外部的等效上拉电阻不能小于825Ω。

当引脚输出高时，绿色框中下方的MOS管截止，引脚的电平由外部电路决定。此时片外的上拉电阻将把信号线拉至高电平。

实际上，当在开漏输出引脚输出高时，两个MOS管都是处于截止状态，该引脚对外呈现高阻状态。利用这一特性，允许多个器件的开漏输出引脚相互连接在一起，通过“线与”实现双向通信。

为了实现I2C的高速模式+，或其它大电流驱动的需要，LPC800系列中，还有几个引脚允许灌入较大的电流。在适当的配置下，不管是推拉输出还是开漏输出模式下，当引脚输出低时，可以有多达20mA的灌入电流。

下图摘录于LPC82x的数据手册，可以看出PIO0_10和PIO0_11具有灌入大电流的能力。读者可以自行查看其它型号的数据手册，找出相应的引脚。

恩智浦

1.3 数字输入

图1中橙色框里的电路就是数字输入部分。当引脚处于输入模式时，绿色框中的两个MOS管均处于截止状态，不对引脚的外部电平产生影响。

当引脚配置为数字输出时，这部分输入电路仍然连接在引脚的回路中，并没有断开，即用户可以在配置为数字输出的引脚上读回信号线的状态。当引脚配置为开漏输出时，I2C就是利用这一特性实现了在同一个信号线上的双向通信，用户也可以利用这一特性，自行实现双向通信。

LPC800的输入模式还有几个特殊的特性，可以方便地辅助用户实现相应的功能，随后几节会一一介绍。

1.4 输入反向

使能这个模式后，当输入引脚为低电平时，软件会在寄存器读到’1’，反之当输入引脚为高电平时，软件会在寄存器读到’0’。用户可以按照应用的要求，自主配置是否需要“输入反向”。

一般情况下，基本用不到该功能。只有在片外使用负逻辑电路时，为了软件逻辑的方便，可以启用此功能。

1.5 输入的数字滤波

用户可以使能这个功能，自动地过滤掉输入信号中可能出现的毛刺。例如，用户可以利用它，实现按键的自动去抖动。
如果输入信号的频率较高，则需要关闭此功能。

经过适当配置，数字滤波功能能够滤除的最窄脉冲，是小于一个主时钟周期的脉冲，即当系统主时钟为30MHz时，宽度小于33ns的信号会被滤除。数字滤波功能可以滤除的最宽的脉冲，则是小于3 x 255个主时钟周期的脉冲，即当系统主时钟为30MHz时，可以滤除宽度小于25.5us的脉冲，这已经足够实现一般按键去抖动的要求。

1.6 输入信号迟滞（Hysteresis）

这个功能是指，当一个外部输入信号由低变高，或由高变低时，芯片内部会推迟输入状态的翻转。

下面是LPC82x数据手册中引脚静态特性的参数表截图：恩智浦

当外部输入电平为0.7V_DD时，芯片会识别为’高’(V_IH)，即当V_DD=3.3V时，V_IH=2.3V；当外部输入电平为0.3V_DD时，芯片会识别为’低’(V_IL)，即当V_DD=3.3V时，V_IL=1.0V。

当使能输入迟滞功能时，按照上面截图的参数，芯片会在外部信号变化过程中，推迟0.4V改变内部寄存器的数值。这个迟滞电压的数值会随芯片的不同而不同，设计时请注意查看对应型号的数据手册。

举个例子，当外部信号从3.0V下降到0V的过程中，如果没有迟滞功能，内部寄存器的数值会在信号刚好降到低于1.0V时，从’1’变为’0’；如果引入迟滞功能，只有信号降到低于0.6V时，内部寄存器的数值才会变化。同理，当外部信号上升时，没有迟滞功能时，内部寄存器的数值会在外部电平刚好超过2.3V时变化，使能迟滞功能后，内部寄存器的数值要在外部电平超过2.7V时才变化。

使用这个功能的好处是，当外部输入信号变化时，可以滤除电平上的小幅抖动，内部寄存器的数值不至于随外部信号的抖动而频繁变化，减少软件处理的负担。

1.7 输入维持

在原文的用户手册中，该功能被称为Repeater(重复)模式。

图1中紫色虚线框中的部分实现输入维持模式。当外部输入为高电平时，输入维持电路在引脚内部接入一个弱上拉电阻；当外部输入为低电平时，则在引脚内部接入一个弱下拉电阻。这样所产生的效果就是，如果外部电路不再驱动这个信号线，该信号线不至于处于浮空状态。

我们知道，CMOS电路的输入端，在处于浮空状态时，会导致较大的漏电流增加功耗，同时也非常容易受到外界信号的干扰。使能输入维持模式，则可以避免这种浮空状态，减少了系统的无谓功耗，也提高了系统的可靠性。

1.8 引脚的内部上拉或下拉

上节介绍的“输入维持”模式里的上拉电阻和下拉电阻，是由对应电路自动引入，用户也可以按照自己的应用逻辑，直接使能引脚内部的上拉或下拉电阻，同样可以达到避免信号线浮空的目的。

与输入维持模式不同的是，应用程序可以自行决定在外部电路浮空时，需要保持信号线的高电平状态，还是低电平状态。

另外使能引脚的内部上拉或下拉，独立于引脚的输入或输出模式。即不管引脚是输入还是输出，都可以配置有内部上拉或下拉。

按照数据手册中的参数推算，内部上拉电阻或下拉电阻的等效阻值的典型值是100kΩ左右。读者可自行查看手册中的相应部分。

1.9 I2C模式

在LPC800系列中，引脚PIO0_10和PIO0_11拥有特殊的I2C模式，除了支持标准和快速I2C模式，还可以支持I2C快速+模式。这两个引脚是真开漏输出，即在这两个引脚的输出电路中，没有图1绿色框中上边的那个MOS管；而普通的“非” 真开漏引脚，是通过始终让上边那个MOS管处于截止状态，实现开漏输出的功能。

在LPC800中，只有I2C0可以配置为快速+模式。从SWM章节可以看到，LPC81x的I2C0引脚可以经SWM配置到任意引脚，但只能在引脚PIO0_10和PIO0_11上使用快速+模式；其它LPC800系列产品中，I2C0的引脚是不能经SWM移动的。

当I2C的输出引脚使用PIO0_10和PIO0_11时，需要配置这两个引脚为I2C模式；当I2C的输出使用其它引脚时，则需要配置对应的引脚为开漏模式。

1.10 模拟输入/输出

对于模拟输入功能来说，不需要在IOCON中做任何配置，一旦在SWM模块使能了某个模拟输入功能后，该引脚对应的数字输入输出功能就被屏蔽。即作为模拟引脚时，图1中绿色框和蓝色框的输出MOS全部截止，橙色的输入线路也处于关闭状态，引脚上的数字输入输出电路均处于高阻状态。

相比其它系列，在LPC84x中增加了两个DAC模拟输出，这两个DAC对应的配置寄存器相比其它引脚的配置寄存器，多了一个模拟输出的控制位。和模拟输入一样，当选择了模拟输出后，该引脚的数字输入输出电路即被屏蔽。

二、引脚的5V兼容

当引脚配置为数字输入模式时，除了与VDDCMP共用的PIO0_6引脚外，其它的引脚都可以承受外部5V的电压。PIO0_6只能承受与V_DD相同的电压。

当引脚配置为模拟输入时，则不能承受外部5V的电压，用户需特别留意。

作为输入时，引脚能够承受5V的输入电压，这个特性极大地方便了使用LPC800产品，与传统的5V器件在同一个系统里的互联，即一个5V器件的数字输出引脚可以直接连接到LPC800的数字输入端。

反之，LPC800的数字输出引脚可以直接与5V器件的输入端相连，但5V器件是否能够正确地识别LPC800输出的高电平，用户需自行查看这个5V器件的手册来决定。

三、复位后引脚的默认状态

结合SWM章节和GPIO章节的描述，系统复位后除了与SWDIO、SWCLK和RESETN对应的功能外，所有的可移动功能都与引脚断开，即引脚内部与GPIO模块相连；同时由于GPIO模块中所有的端口复位后默认为输入，因此在复位后，除PIO0_2、PIO0_3和PIO0_5外，所有其它引脚都是数字输入，并且使能了内部弱上拉电阻。