GPIO端口应用

通过前面的分析，我们知道在LPC824中，对GPIO端口的操作一共涉及到68个寄存器，那究竟该使用哪些寄存器，特别是对于具有相同功能的寄存器，应该如何选择，下面就来进行具体讨论。

虽然一共有68个寄存器，但其中的端口字节引脚寄存器B和端口字引脚寄存器W，由于每个对应一根引脚，所以就分别占用了29个寄存器，一共占用了58个，因此可以把B寄存器和W寄存器算成两个（两类），这样的话一共就只有12个寄存器了。在LPC824中，要实现对GPIO的同一个控制，操作的寄存器可有多种选择。例如：要控制某个引脚输出高电平，可以选择的寄存器就有PIN0、W、B、SET0及MPIN0等四个。那究竟应该如何选择，在LPC824的官方手册中给出了如下建议： 

（1）对于复位或重新初始化后的初始设置，写PORT寄存器（即PIN0寄存器）。
（2）如需更改某个引脚的状态，写字节引脚或字引脚寄存器。
（3）如需一次性更改多个引脚的状态，写SET和（或）CLR寄存器。
（4）如需在严格控制的环境（如软件状态机）中更改多个引脚的状态，可考虑使用NOT寄存器，这比SET和CLR需要的写操作更少。
（5）如需读取某个引脚的状态，读字节引脚或字引脚寄存器。
（6）如需根据多个引脚作出决定，读取并屏蔽PORT寄存器（即MPIN0寄存器）。

一般来说，当要控制的GPIO引脚是“一次性”操作的话，就操作PIN0寄存器，因为它会一次性把29位电平全部输出到对应的端口引脚上，或一次性把29根端口引脚上的电平全部读入到寄存器中，效率较高，比较适合芯片初始化时的引脚电平赋值、全端口电平取反等操作。而对于只控制单一的某一根引脚状态（读或写）时，可操作W或B寄存器，因为它只更改端口的其中一位的值而不会影响到其他位，不必像传统使用“与或”操作的方式那样麻烦。对于一次要控制多根引脚状态时，可根据情况来操作SET0和CLR0寄存器，其中SET0寄存器为指定的引脚输出高电平，而其他引脚的电平保持不变，CLR0则相反，为指定的引脚输出低电平，其他引脚的电平保持不变。但使用SET0和CLR0寄存器时要特别注意，它们中值为0的位所对应的引脚上的电平是保持原有不变，而不是输出低电平。当要对某些引脚进行电平取反时，可操作NOT0寄存器，值为1的位所对应的引脚电平取反，为0的保持原有电平不变。前面的操作均不受MASK0寄存器的影响，当要对端口的某些引脚确定其操作状态时，即只能针对某些引脚进行控制时，可操作MPIN0寄存器，而对其中能操作的引脚则通过MASK0寄存器来进行设置，MASK0中值为1的位所对应的引脚将被“固定”住其原来的状态不变，值为0的位所对应的引脚才能通过写MPIN0寄存器来更改。

同样的道理，对于方向寄存器DIR0、DIRSET0、DIRCLR0及DIRNOT0的使用也可参考上述原则进行。当要“一次性”确定所有引脚的方向时，就操作DIR0寄存器，原理就不再赘述了。而对于要一次更改多个（或单个）引脚的方向时，可根据情况来操作DIRSET0和DIRCLR0寄存器，其中DIRSET0寄存器为指定的引脚更改为输出方向，而其他引脚的方向保持不变，DIRCLR0则相反，为指定的引脚更改为输入方向，其他引脚的方向保持不变。同样，在使用DIRSET0和DIRCLR0寄存器时要注意，它们中值为0的位所对应的引脚方向是保持原来的不变，而不是变为输入。当只针对某些引脚的方向进行取反时，可操作DIRNOT0寄存器，值为1的位所对应的引脚方向取反，为0的保持原有方向不变。

通过上述分析，就可明确这12个端口寄存器的具体用法了。下面再通过修改前面第一个演示示例的例子，来看一下这12个端口寄存器可以怎样操作。为了简化，这里只罗列出需要修改的部分，其余部分照旧。下面给出的是原来的端口初始化函数。

void Port_init(void)
{
 LPC_GPIO_PORT->DIR0 = 0x1FFFFFFF;        //设置端口为输出方向
 LPC_GPIO_PORT->PIN0 = 0x10090080;        //输出相应电平交替点亮LED
}

由于是端口初始化，即“一次性”操作，所以这里访问的是DIR0和PIN0两个寄存器，用来设置引脚的输出方向和电平高低。下面是定时器中断服务函数，用来把引脚的输出电平取反。

void SysTick_Handler(void)
{
  LPC_GPIO_PORT->PIN0 = ~LPC_GPIO_PORT->PIN0;    //取反赋值
}

在原来的程序中，访问的依然是PIN0寄存器，因为这里的取反也属于对端口的“一次性”操作。然而，该语句也可以更改为下面的样子。

void SysTick_Handler(void)
{
  LPC_GPIO_PORT->NOT0 = 0x1FFFFFFF;    //端口引脚电平取反
}

由于在NOT0寄存器中，值为1的位对应的引脚电平取反，所以把PIO0~PIO28的共29个位全部设置为1，也可以实现LPC_GPIO_PORT->PIN0 = ~LPC_GPIO_PORT->PIN0的取反效果。

除此以外，还可以通过访问MPIN0和MASK0两个寄存器来实现同样的效果。两个函数更改如下。

void Port_init(void)
{
 LPC_GPIO_PORT->DIR0 = 0x1FFFFFFF;        //设置端口为输出方向
 LPC_GPIO_PORT->MPIN0 = 0x10090080;        //输出相应电平交替点亮LED
 // LPC_GPIO_PORT->MASK0 = 0x1FFFFFFF;   //屏蔽输出引脚
}
void SysTick_Handler(void)
{
  LPC_GPIO_PORT->MPIN0 = ~LPC_GPIO_PORT->MPIN0;    //取反赋值
}

按上述更改重新编译程序，会发现当注释掉对MASK0操作这一句的话，运行效果是与前面一致的。而当把注释掉的语句恢复后，则在运行时LED就不再闪烁了。原因是MASK0中值为1的位对应的引脚被屏蔽了，不会因MPIN0的赋值而改变。还可再进一步验证，把MASK0的赋值改成和MPIN0的值一样，即LPC_GPIO_PORT->MASK0 = 0x10090080，然后编译运行看看效果。可看到，LED变成了隔空闪烁而不是交替闪烁，这是为什么呢？仔细来分析一下，为了方便我们不防假设只有4个LED，而且是紧挨着的，依然是低电平点亮（即值为0时亮）。初始状态假设为“1010”，即MPIN0和MASK0的值都为“1010”。MASK0中值为1的位保持原来状态不变，即LED状态应为“灭X灭X”，其中X的状态由MPIN0的值确定。初始时X对应的值都为0（即低电平），所以初始状态的LED为“灭亮灭亮”。当MPIN0取反后值变为“0101”，X的值都由0变成了1（即高电平），所以X对应的LED状态为灭，因此加上MASK0中的屏蔽位后，LED的状态为“灭灭灭灭”，即全灭。而当MPIN0再次取反后，X的值又变为了0，所以加上MASK0中的屏蔽位后，LED的状态又变为了“灭亮灭亮”。可见，最终LED的效果就是隔空闪烁。

同理还可再做其他尝试，比如保持上述的端口初始化不变，而把中断服务函数改成下面的样子。

void SysTick_Handler(void)
{
  LPC_GPIO_PORT->PIN0 = ~LPC_GPIO_PORT->PIN0;    //取反赋值
// LPC_GPIO_PORT->NOT0 = 0x1FFFFFFF;    //端口引脚电平取反
}

编译后运行程序，会发现无论是操作PIN0取反，还是操作NOT0取反，都不影响LED的交替闪烁，这就证明了PIN0和NOT0两个寄存器确实不受MASK0寄存器的影响。

同样，为了验证使用SET0和CLR0两个寄存器的效果，还可以把中断服务函数改成下面的样子。

void SysTick_Handler(void)
{
 uint32_t temp;
 temp = LPC_GPIO_PORT->PIN0;
 LPC_GPIO_PORT->SET0 = ~temp;
 LPC_GPIO_PORT->CLR0 = temp;
} 

可以看到，使用SET0和CLR0两个寄存器来实现同样的效果，就稍为麻烦一些。为了便于理解，我们仍然使用前面假设的4个LED。假设初始状态仍为“1010”，则LED状为“灭亮灭亮”，取反后的值为“0101”，赋值给SET0后，值为0的位对应的引脚电平保持不变，而值为1的位对应的引脚输出高电平，所以LED的状态变为了“灭灭灭灭”，即全灭。而给CLR0的赋值仍为“1010”，值为0的位对应的引脚电平保持不变，而值为1的位对应的引脚输出低电平，所以LED的状态又变为了“亮灭亮灭”，这样就实现了LED的交替闪烁。同时，为了便于操作端口，还定义了一个局部变量来存取上一次的端口值。需要强调的是，这里仅仅是为了学习而演示，此种方法在实际工程中是不建议采用的，不是因为复杂，而是因为它不可靠，细究会发现在端口上有一瞬间是输出了全1的（即LED全灭），虽然时间非常非常短，但仍然存在控制上的隐患，所以仅适用于学习。 

在上述验证中，还可以把temp = LPC_GPIO_PORT->PIN0改成temp = LPC_GPIO_PORT->MPIN0，并把端口初始化中的MASK0进行启用或禁用，逐步来验证效果，以提高对端口屏蔽的认识，具体操作在此就不赘述了。

下面来看一个键控灯的小例子，电路如下图所示。

 

要求通过按键KEY来控制LED的亮灭，即按下按键LED亮，松开按键LED灭。程序代码如下。

#include <LPC82x.h>

//************************端口初始化***********************************
void Port_init(void)
{
LPC_GPIO_PORT->DIRSET0 = 0x80; //设置引脚PIO0_7为输出方向
LPC_GPIO_PORT->DIRCLR0 = 0x01; //设置引脚PIO0_1为输入方向
LPC_GPIO_PORT->SET0 = 0x80; //设置引脚PIO0_7输出高电平
}
//***************************主函数************************************
int main(void)
{
Port_init(); //调用端口初始化
while(1)
{
if(LPC_GPIO_PORT->B1)
LPC_GPIO_PORT->B7 = 1; //按键释放，LED灭
else
LPC_GPIO_PORT->B7 = 0; //按键按下，LED亮
}
}

在上述程序中，端口初始化函数并没有直接操作PIN0寄存器，而是分别操作了DIRSET0、DIRCLR0和SET0寄存器。 根据前面的电路图可知，按键和LED一共只接了两根引脚，所以只需要对这两根引脚进行操作就可以了，其他的引脚不要去改变它。DIRSET0寄存器中值为1的位对应的引脚被设置为输出方向，而值为0的位对应的引脚不变。所以执行了LPC_GPIO_PORT->DIRSET0=0x80这一句后，只有引脚PIO0_7被设置为输出方向，并不会去改变其他引脚的方向。同理，DIRCLR0寄存器中值为1的位对应的引脚被设置为输入方向，而值为0的位对应的引脚不变。所以执行了LPC_GPIO_PORT->DIRCLR0=0x01这一句后，只有引脚PIO0_1被设置为输入方向，也不会去改变其他引脚的方向。对应电路原理图，引脚PIO0_7接的是LED，为输出方向，引脚PIO0_1接的是按键，为输入方向，所以执行了端口初始化函数后，LED和按键的驱动方向也就设置好了。

接下来在主函数中，通过读取引脚PIO0_1上的电平，就可心判断按键是否被按下了，这里读取的是字节引脚寄存器B1（对应引脚PIO0_1），而没有读取PIN0寄存器。因为这里只读取一个位的值，不必全部位都读取，大大提高了操作效率。同理，在点亮（或熄灭）LED时，也是操作字节引脚寄存器B7（对应引脚PIO0_7），而没有操作PIN0寄存器，同样提高了操作效率。

把上述程序编译下载到LPC824中并执行，可看到初始时LED是不亮的，按下KEY键LED发光，释放后LED熄灭，达到了设计要求。此外，还可把操作的字节引脚寄存器B换成字引脚寄存器W，即B1换成W1，B7换成W7，重新编译执行，会发现效果不变。说明在进行位操作时，即可以访问字节引脚寄存器也可访问字引脚寄存器，效果是一样的。那究竟应该选择哪个引脚寄存器呢？一般地，如果引脚上只写（或读）0和1两个值的话，就用字节引脚寄存器B，如果写（或读）的是0和非0多个值的话，就用字引脚寄存器W。实际上W寄存器是为了兼容而设计的，一般访问B寄存器就可以了。

最后还有一个DIRNOT0寄存器，这个寄存器在值为1的位对应的引脚会进行方向的取反，即输入变输出或输出变输入。这为单引脚上需要经常改变方向的操作提供了极大的便利，比如在一些单总线的设备模块访问上，就经常需要改变方向，这时直接使用DIRNOT0寄存器就方便多了，这将在以后用到时再作讲解，现在暂时不讨论了。

最后再强调一下，在芯片复位后，默认所有的引脚均为输入方向，所以复位后B、W、PIN0、MPIN0等4个寄存器的值是由外部电路来决定的。

通过上述讨论可见，在LPC824中操作GPIO端口的寄存器有很多，这为开发提供了极大的便利，所以在进行程序设计的时候，就应该尽量避免对端口寄存器进行“与或”等操作了，这样可大大提高操作效率。