在Arduino环境下对ESP32进行寄存器操作和区别比较

在Arduino环境下对ESP32进行寄存器操作和区别比较

前言

这篇文章主要是对在Arduino环境下如何对ESP32进行寄存器操作进行了相关的说明。并且比较了在不同编程方式下GPIO口的电平翻转速度，这可以更加直观的不同编程方式下的代码运行效率。(平台是VScode，使用Platformio下的Arduino固件对ESP32进行编程)

寄存器操作

如果你在VScode上安装了ESP32的Arduino固件，你将会在下面的所示的文件路径中找到寄存器相关的头文件：
C:\Users\用户名\.platformio\packages\framework-arduinoespressif32\tools\sdk\esp32\include\soc\esp32\include\soc
(将用户名修改为自己电脑的用户)

以GPIO相关的寄存器为例：

通过查看ESP32的参考手册，可以得到GPIO的相关寄存器，每个寄存器都对应有不同的地址：

而在文件夹中有两个比较重要的头文件：
gpio_reg.h：将GPIO相关的寄存器地址通过宏定义定义了出来，可以对寄存器直接进行操作。
gpio_struct.h：将GPIO相关的寄存器通过结构体的方式定义了出来，可以通过结构体进行访问。

GPIO的寄存器操作

通过3种不同编程方式下GPIO口的电平翻转速度进行了测量：

方式一：通过库函数对GPIO进行操作

#include <Arduino.h>

const int gpio_pin = 14;
void setup() {
    pinMode(gpio_pin, OUTPUT);
    digitalWrite(gpio_pin, HIGH);
    delay(500);
}

void loop() {
    //1 通过库函数对GPIO进行操作
    digitalWrite(gpio_pin, LOW);    //set 0
    digitalWrite(gpio_pin, HIGH);   //set 1
}

通过逻辑分析仪测量引脚电平波形，可以看到低电平约为325ns，高电平约为439ns。

方式二：通过定义的寄存器结构体对GPIO进行操作

#include <Arduino.h>

const int gpio_pin = 14;
void setup() {
    pinMode(gpio_pin, OUTPUT);
    digitalWrite(gpio_pin, HIGH);
    delay(500);
}

void loop() {
    //2 通过定义的寄存器结构体对GPIO进行操作
    GPIO.out_w1tc |= (1<<14);   //set 0
    GPIO.out_w1ts |= (1<<14);   //set 1
}

通过逻辑分析仪测量引脚电平波形，可以看到低电平约为125ns，高电平约为201ns。

方式三：直接通过寄存器地址对GPIO进行操作

#include <Arduino.h>

const int gpio_pin = 14;
void setup() {
    pinMode(gpio_pin, OUTPUT);
    digitalWrite(gpio_pin, HIGH);
    delay(500);
}

void loop() {
    //3 直接通过寄存器地址对GPIO进行操作
    *(volatile unsigned int*)GPIO_OUT_W1TC_REG |= (1<<14);
    *(volatile unsigned int*)GPIO_OUT_W1TS_REG |= (1<<14);
}

1、GPIO_OUT_W1TC_REG和GPIO_OUT_W1TS_REG是地址的宏定义，在程序中只是一个字面常量，需要将其转换为无符号整型的指针，再对该指针进行解引用，取出该地址存放的数据，并将该数据的14bit位置一，代表的是将GPIO14清零/置一。

2、volatile关键字是为了该变量随时可能发生变化，提醒编译器与该变量有关的运算，不要进行编译优化，以免出错。

通过逻辑分析仪测量引脚电平波形，可以看到低电平约为113ns，高电平约为199ns。

通过对比发现，直接通过寄存器地址对GPIO进行操作的方式是最快的，但是和对寄存器结构体对GPIO进行操作的方式相差不大，库函数操作的方式效率最低。