痞子衡嵌入式：再测i.MXRT1060,1170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.MXRT1060/1170上的普通GPIO与高速GPIO极限翻转频率。

　　按照上一篇文章《实测i.MXRT1010上的普通GPIO与高速GPIO极限翻转频率》里的测试流程和方法，痞子衡今天带大家再测试下含有 HSGPIO 模块的 i.MXRT1060 和 i.MXRT1170 系列。从芯片整体性能上来说，它们俩都是 i.MXRT1010 的老大哥，但是老大哥未必是方方面面都碾压小老弟的，有时候系统设计越复杂，细节之处反而越难优化。今天我们就来对比看看它们在 GPIO 上的表现：

Note1: i.MXRT1064 跟 i.MXRT1060 是同一种 Die， GPIO 性能是一致的；i.MXRT1160 和 i.MXRT1170 在 GPIO 上性能也类似。

Note2: 测量所用示波器型号是 Tektronix MSO5204，带宽 2GHz, 采样率 10GS/s。

一、i.MXRT1060(1064)上的测试

1.1 测试板卡及测试点

　　选定的板卡是恩智浦官方 MIMXRT1060-EVK，这次我们选了 Arduino J22 接口的 Pin3，即 GPIO_AD_B0_11，这个 PAD 既可以配到普通 GPIO（GPIO1[11]）也可以配到 HSGPIO（GPIO6[11]），默认外围可选功能电路上的电阻都是 DNP 状态，因此这个 PAD 是悬空的：

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-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\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 测试代码很简单：

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_AD_B0_11_GPIO1_IO11, 0U); 
    // Fast Slew Rate, R0/7, 200MHz
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_AD_B0_11_GPIO1_IO11, 0x10F9U); 
    if (useNormalGpio)
    {
        // GPIO1
        IOMUXC_GPR->GPR26 &= ~(1u << 11);
        GPIO_PinInit(GPIO1, 11, &led_config);
    }
    else
    {
        // GPIO6
        IOMUXC_GPR->GPR26 |= (1u << 11);
        GPIO_PinInit(GPIO6, 11, &led_config);
    }
}

void io_test_run(void)
{
    io_test_init(false);
    while (1)
    {
        GPIO6->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.MXRT1060 内核结构里的 HSGPIO 通路。

　　led_output 例程里的默认系统时钟配置，AHB/Core 时钟来自于 PLL1，将这个源配置为 1200 MHz，ARM_PODF 设 1（两分频），AHB_PODF 设 0 （即不分频），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），最终 AHB 时钟是 600MHz，IPG 时钟是 150MHz，HSGPIO 和 GPIO 访问可以同时得到最优性能（这点设计上是优于 i.MXRT1010 的）。

PPL1, CCM_ANALOG->PLL_ARM[DIV_SELECT] = 100，即 24MHz*DIV_SELECT/2 = 1200MHz
CCM->CACRR[ARM_PODF] = 3'b001，divide by 2
CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL] = 2'b11，derive clock from divided PLL1
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

1.4 I/O 翻转测试结果

　　现在我们来看一下测试结果，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，实际输出的波形幅值响应表现跟外围电路关系较大。

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 1/8，极限翻转频率是 18.69MHz

总结4： HSGPIO 翻转频率约是时钟源 AHB Bus 的 1/4，极限翻转频率是 149.24MHz

总结5： i.MXRT1060 的 GPIO 性能跟 i.MXRT1010 差不多，但是 HSGPIO 性能比 i.MXRT1010 差很多。

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
600MHz	150MHz	Fast Slew, 200MHz	异或GPIO->DR	6.289MHz 标准幅度方波	22.99MHz 标准幅度方波
600MHz	150MHz	Fast Slew, 200MHz	置位GPIO->DR_TOGGLE	18.69MHz 标准幅度方波	149.24MHz 标准幅度正弦波

二、i.MXRT1170(1160)上的测试

2.1 测试板卡及测试点

　　选定的板卡是恩智浦官方 MIMXRT1170-EVK，板卡上连接 LED 灯的是 GPIO_AD_04，翻看芯片参考手册，这个 PAD 既可以配到普通 GPIO（GPIO9[3] 或者 GPIO3[3]）也可以配到 HSGPIO（CM7_GPIO3[3]），我们选择这个 PAD 做测试。

　　与此同时，作为比较，还多选了一个 GPIO_AD_01 脚作为测量点 2，这个 PAD 既可以配到普通 GPIO（GPIO9[0] 或者 GPIO3[0]）也可以配到 HSGPIO（CM7_GPIO3[0]），外围电路接近于悬空。

　　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：

2.2 I/O 翻转测试代码

　　测试工程我们可以直接在 \SDK_2.11.0_MIMXRT1170-EVK\boards\evkmimxrt1170\driver_examples\gpio\led_output\cm7 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 测试代码很简单：

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_AD_04_GPIO_MUX3_IO03, 0U); 
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_AD_04_GPIO_MUX3_IO03, 0x000eU); 
    if (useNormalGpio)
    {
        // GPIO3
        IOMUXC_GPR->GPR42 &= ~(1u << 3);
        GPIO_PinInit(GPIO3, 3, &led_config);
    }
    else
    {
        // CM7_GPIO3
        IOMUXC_GPR->GPR42 |= (1u << 3);
        GPIO_PinInit(CM7_GPIO3, 3, &led_config);
    }
}

void io_test_run(void)
{
    io_test_init(false);
    while (1)
    {
        CM7_GPIO3->DR_TOGGLE = 0x8;
    }
}

　　特别提醒的是在 i.MXRT1170 IOMUXC 模块 SW_PAD_CTL 控制寄存器里取消了 SPEED 配置，并且 DSE 配置也从 3bit 减少到 1bit，这点跟 i.MXRT1010/1060 上设计不一样：

2.3 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（在 i.MXRT1170 里叫 BUS_CLK），而 HSGPIO 时钟源是 AHB Bus（在 i.MXRT1170 里叫 M7_CLK），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.MXRT1170 内核结构里的 HSGPIO 通路。

Note1: GPIO1 - 6 时钟源是 BUS_CLK，该总线最高频率 240MHz

Note2: GPIO7 - 12 时钟源是 BUS_LPSR_CLK，该总线最高频率 160MHz

Note3: GPIO13 时钟源是 RCOSC_32K

　　led_output 例程里的默认系统时钟配置，M7_CLK 时钟来自于 ARM_PLL，将这个源配置为 996 MHz。BUS_CLK 时钟来自于 SYS_PLL3，固定 480MHz，BUS_ROOT 配置里做了两分频，最终 M7_CLK 时钟是 996MHz，BUS_CLK 时钟是 240MHz（相较于 i.MXRT1010/1060 的最大 150MHz 有所提升），HSGPIO 和 GPIO 访问可以同时得到最优性能。此外，i.MXRT1170 的系统时钟设计是最灵活也最简单的。

ARM_PLL, 即 24MHz*DIV_SELECT/2/POST_DIV = 996MHz
         ANADIG_PLL->ARM_PLL_CTRL[DIV_SELECT] = 166，
         ANADIG_PLL->ARM_PLL_CTRL[POST_DIV_SEL] = 2'b00，Divide by 2
// 0 - CLOCK Root M7
CCM->CLOCK_ROOT[0].CONTROL[MUX] = 3'b100，PLL_ARM_CLK
CCM->CLOCK_ROOT[0].CONTROL[DIV] = 8'h00，Divider selected clock by DIV + 1.

SYS_PLL3, ANADIG_PLL->SYS_PLL3_CTRL[SYS_PLL3_GATE] = 1'b0，固定 480MHz
// 2 - CLOCK Root Bus
CCM->CLOCK_ROOT[2].CONTROL[MUX] = 3'b100，SYS_PLL3_CLK
CCM->CLOCK_ROOT[2].CONTROL[DIV] = 8'h01，Divider selected clock by DIV + 1.

2.4 I/O 翻转测试结果

　　现在我们来看一下测试结果，根据实测结果，我们得到了如下结论：

总结1：置位 GPIO->DR_TOGGLE 寄存器可获得最佳 I/O 翻转性能

总结2：普通 GPIO 翻转频率约是时钟源 BUS_CLK 的 1/14，极限翻转频率是 17.12MHz

总结3： HSGPIO 翻转频率约是时钟源 M7_CLK 的 1/4，极限翻转频率是 248.87MHz

总结4： i.MXRT1170 的 GPIO 性能跟 i.MXRT1010/1060 差不多，HSGPIO 性能跟 i.MXRT1010 差不多。

M7_CLK时钟频率	BUS_CLK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
996MHz	240MHz	Fast Slew	异或GPIO->DR	7.058MHz 标准幅度方波	41.24MHz 标准幅度方波
996MHz	240MHz	Fast Slew	置位GPIO->DR_TOGGLE	17.12MHz 标准幅度方波	248.87MHz 1/4幅度正弦波