痞子衡嵌入式：实测i.MXRT1010上的普通GPIO与高速GPIO极限翻转频率

　　大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是i.MXRT1010上的普通GPIO与高速GPIO极限翻转频率。

　　上一篇文章《聊聊i.MXRT1xxx上的普通GPIO与高速GPIO差异及其用法》，痞子衡从原理上介绍了 i.MXRT1xxx 系列里普通 GPIO 和 HSGPIO 差异，今天我们就来实测它们的极限翻转频率，看看它们实际表现差别到底有多大。本次选择的测试芯片是 i.MXRT1010，这颗芯片从功能上来说是目前 i.MXRT1xxx 系列里的小兄弟，但别小看它，因为是后面推出的型号，恩智浦的设计团队为它在某些方面做了特殊的性能优化，包括 HSGPIO 性能。话不多说，开测：

一、测试准备工作

1.1 测试板卡及测试点

　　选定的板卡是恩智浦官方 MIMXRT1010-EVK，板卡上连接 LED 灯的是 GPIO_11，翻看芯片参考手册，这个 PAD 既可以配到普通 GPIO（GPIO1[11]）也可以配到 HSGPIO（GPIO2[11]），正是理想的 PAD，我们就选择这个 PAD 做测试。此外，最终 I/O 输出波形形态跟外围驱动电路也有关联，所以这里也有必要交待清楚：

Note：所用示波器型号是 Tektronix MDO3024, 带宽 200MHz, 采样率 2.5GS/s

1.2 I/O 翻转测试代码

　　测试工程我们可以直接在 \SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1010\boards\evkmimxrt1010\driver_examples\gpio\led_output 例程上修改，为了尽力展示 GPIO 极限性能，不受其他瓶颈因素干扰，这里选择代码执行性能最高的工程 build（即代码段在 ITCM 里，数据段在 DTCM 里）。

　　I/O 初始化代码很简单，在《普通GPIO与高速GPIO差异及其用法》文章里都介绍清楚了。这里仅有一点注意，为了统一最终 I/O 输出效果，不管是用于普通 GPIO 还是 HSGPIO，我们都直接将测试 PAD 配置到最快的 200MHz 运行频率（PAD 支持的 50/100/150/200MHz 运行频率配置不同主要是对信号幅值响应表现有影响，不过痞子衡实测这四种速度配置对于 100MHz 的 I/O 翻转信号输出效果是一样的（仅示波器端观测波形角度而言），看到的都是标准幅度的正弦波）：

void io_test_init(bool useNormalGpio)
{
    gpio_pin_config_t led_config = {kGPIO_DigitalOutput, 0, kGPIO_NoIntmode};
    CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Iomuxc);      
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0U); 
    // Fast Slew Rate, R0/7, 200MHz
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0x70F9U);
    if (useNormalGpio)
    {
        // GPIO1
        IOMUXC_GPR->GPR26 &= ~(1u << 11);
        GPIO_PinInit(GPIO1, 11, &led_config);
    }
    else
    {
        // GPIO2
        IOMUXC_GPR->GPR26 |= (1u << 11);
        GPIO_PinInit(GPIO2, 11, &led_config);
    }
}

　　在 GPIO 模块里跟电平输出控制相关的寄存器有两个，一个是 DR 寄存器，另一个是 DR_TOGGLE 寄存器，都可用于实现输出电平翻转。有如下代码所示的三种常见电平翻转方法，在低翻转频率情况下，这三种方法是等效的，但是在极限翻转频率情况下，这三种方法表现不完全一致，下一节实测结果会告诉你：

void io_test_run(void)
{
    io_test_init(false);
    while (1)
    {
        // 电平翻转方法一：异或位操作
        //GPIO2->DR ^= 0x800;

        // 电平翻转方法二：直接赋值切换位
        //GPIO2->DR = 0x800;
        //GPIO2->DR = 0x000;

        // 电平翻转方法三：利用 TOGGLE 位
        GPIO2->DR_TOGGLE = 0x800;
    }
}

1.3 芯片系统时钟配置

　　《普通GPIO与高速GPIO差异及其用法》一文里讲了，普通 GPIO 时钟源是 IPG Bus，而 HSGPIO 时钟源是 AHB Bus，因此测试工程里 AHB/IPG 时钟配置会影响最终 I/O 翻转极限频率。下图是 i.MXRT1010 内核结构里的 HSGPIO 通路，它和 i.MXRT1060/1170 内核结构里 HSGPIO 通路其实有点小区别，这也是 i.MXRT1010 上的优化之处。

　　led_output 例程里的默认系统时钟配置，AHB/Core 时钟来自于 PLL6 - 500MHz，AHB_PODF 设 0 （即不分频），而 IPG Bus 时钟源固定来自于 AHB/Core，且只能在其基础上做 1/2/3/4 分频，我们知道 IPG Bus 最高仅支持 150MHz，因此在这种情况下 IPG_PODF 只能设 3（四分频），IPG 时钟实际是 125MHz，显然 HSGPIO 访问可以得到最优性能，但普通 GPIO 达不到最优性能。

PLL6, CCM_ANALOG->PLL_ENET[ENET_500M_REF_EN] = 1'b1，固定 500MHz
CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL] = 2'b11，derive clock from PLL6
CCM->CBCDR[PERIPH_CLK_SEL] = 1'b0，derive clock selected by CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL]
CCM->CBCDR[AHB_PODF] = 3'b000，divide by 1
CCM->CBCDR[IPG_PODF] = 2'b11，divide by 4

　　为了测试普通 GPIO 的最优性能，我们需要同时再测试一种新的系统时钟配置，AHB/Core 时钟源选用 PLL2_PFD3，将这个源配置为 452.6 MHz，AHB_PODF 依旧设 0，这样 IPG_PODF 设 2（三分频）可以得到 150.8MHz 的 IPG 时钟，这时普通 GPIO 访问可以得到最优性能，不过 HSGPIO 访问就要损失点性能了。

PLL2，CCM_ANALOG->PFD_528[PFD3_FRAC] = 21，即 528MHz*18/PFD3_FRAC = 452.57MHz
CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL] = 2'b10，derive clock from PLL2 PFD3
CCM->CBCDR[PERIPH_CLK_SEL] = 1'b0，derive clock selected by CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL]
CCM->CBCDR[AHB_PODF] = 3'b000，divide by 1
CCM->CBCDR[IPG_PODF] = 2'b10，divide by 3

二、测试波形结果

　　准备工作都做完了，现在就是示波器连上板卡开始实测了，根据组合，一共有时钟配置（x2）* I/O 类型（x2）* 翻转方法（x3）总计 12 个结果，这里仅贴出 HSGPIO 在 500MHz AHB/Core 时钟频率下的三种翻转方法所得到的波形结果，全部测试结果见最后一节。

　　首先是 GPIO->DR 寄存器异或位操作得到的波形结果，为了减少 while(1) 的执行对翻转频率的影响（毕竟这一句 B.N 跳转指令也是要消耗 CPU 周期的），我们在 while(1) 里加十次翻转代码，统计结果时取 5/10 个波形周期求平均，最终得到翻转频率为 22.946 MHz，效果似乎一般。汇编窗口来看，这句 C 代码异或操作被翻译成了三条指令，先 LDR 指令读出 GPIO->DR 寄存器当前值，然后 EOR 指令做异或操作，最后再 STR 指令写入 GPIO->DR 寄存器，应该是 LDR 回读指令耗时较长。

　　再来看 GPIO->DR_TOGGLE 置位操作和 GPIO->DR 的直接写入操作结果，实测下来发现这两种方法得到的翻转频率是一样的（从汇编窗口来看两种翻转方法都是仅一条 STR 指令搞定），都是 250MHz，效果虽好，但有点过头，因为波形里看到的不是标准幅值 3.3V 的方波（暂不确定是不是 200MHz 带宽的示波器瓶颈），而是减半幅值（约 1.6V ）的正弦波，也不排除 PAD 最大运行速度是 200MHz，它只能保证在低于 200MHz 的情况下有很好的电压幅值响应表现（包括翻转斜率），超过这个频率，波形频率值不受影响，但电压幅值响应表现不能保证。

　　为了验证是不是示波器瓶颈，痞子衡找了台更高性能的 Tektronix MSO5204（带宽 2GHz, 采样率 10GS/s），复测了一下这个 250MHz 的信号，得到结果略有改善，但幅度一样有衰减（2.34V），还是 PAD 本身限制。

三、完整结果统计

　　现在我们来看一下全部的结果，因为三种 I/O 翻转方法里有两种效果是一样的，所以我们省略了 GPIO->DR 直接写入这种方法的结果，最终得到了 8 个结果。根据实测结果，我们得到了如下结论：

总结1： PAD配置里的运行频率并不限制最终输出翻转频率，只是无法保证超过设置频率后的波形幅值响应表现（包括翻转斜率）

总结2：置位 GPIO->DR_TOGGLE 寄存器可获得最佳 I/O 翻转性能

总结3：普通 GPIO 翻转频率约是时钟源 IPG Bus 的 1/7.5，极限翻转频率是 20.614MHz

总结4： HSGPIO 翻转频率约是时钟源 AHB Bus 的 1/2，极限翻转频率是 250MHz

AHB/Core时钟频率	IPG总线时钟频率	I/O PAD配置	I/O翻转方法	普通GPIO极限翻转频率	高速GPIO极限翻转频率
500MHz	125MHz	Fast Slew, 200MHz	异或GPIO->DR	5.214MHz 标准幅度方波	22.946MHz 标准幅度方波
500MHz	125MHz	Fast Slew, 200MHz	置位GPIO->DR_TOGGLE	15.533MHz 标准幅度方波	250MHz 减半幅度正弦波
452.6MHz	150.8MHz	Fast Slew, 200MHz	异或GPIO->DR	6.309MHz 标准幅度方波	18.864MHz 标准幅度方波
452.6MHz	150.8MHz	Fast Slew, 200MHz	置位GPIO->DR_TOGGLE	20.614MHz 标准幅度方波	226.244MHz 减半幅度正弦波

四、一个有趣的问题

　　最后再留一个开放问题，在痞子衡旧文《以GPIO模块为例谈谈中断处理函数(IRQHandler)的标准流程》里提到过 ARM Errata 838869 ，即在 Cortex-M4/7 上，如果 CPU 执行速度远远高于 GPIO 外设寄存器写入速度，如果代码逻辑里涉及 GPIO 寄存器回读，一般需要在 GPIO 寄存器写入操作后额外插入 DSB 指令来保证同步。

　　我们现在在 500MHz AHB/Core 时钟频率下 HSGPIO 翻转代码里额外插入 DSB 指令，看看有什么影响，结果翻转频率从 250MHz 一下子降到了 35.8MHz。