Nordic GPIO硬件原理与NCS应用详解

本文主题

Nordic MCU的GPIO硬件简介、GPIOTE是什么、PPI是什么
Zephyr中GPIO的使用、与外设引脚复用的方法（pinctrl）

声明：本文在解释硬件方面会比较详细，其目的是让读者在遇到问题时方便查阅，并debug底层寄存器信号。并非是推荐开发者直接进行寄存器开发，大多数情况下直接使用Nordic提供的外设API进行开发即可，可参考本文第3、4、5章。

1. GPIO硬件介绍

在介绍NCS中的GPIO和引脚复用（pinctrl）之前，有必要先介绍Nordic平台的GPIO相关硬件。

1.1. GPIO编号与分配表

每个Port上最多有32个GPIO，编号为0 ～ 31。Port从0开始，根据芯片封装的不同，可能还会有Port 1。例如，在代码中，P0.12对应的引脚编号就是12，而P1.12对应的引脚编号就是32+12，也就是44。

在每个手册的“Hardware and layout”章节，有不同MCU封装的GPIO功能说明，我们点进去可以看到每个引脚的用途。不仅是GPIO，还有一些电源和晶振引脚也包含其中：

这里面值得一提的一些信息有：

模拟引脚是固定的，标有Analog input的引脚才能作为模拟输入。

外设的数字引脚基本上是可以任意分配的。但有些外设会有推荐的引脚，例如上图中的QSPI。

某些引脚只能配置为Standard drive，无法作为高驱动模式。因此不适合高速数据传输的外设引脚。

1.2. GPIO硬件

下图来自于nRF52833 Product Specification。

从框图可以看出，GPIO可以作为模拟输入，也可以作为数字输入和输出。

只有部分GPIO可以作为模拟输入，见1.2小节

寄存器介绍

Nordic平台的GPIO，每个port最多有32个引脚。

OUT：32bit寄存器，bit写1使对应的GPIO输出高，写0使对应的GPIO输出低
OUTSET：32bit寄存器，bit写1使对应的GPIO输出高，写0不影响对应的GPIO的状态
OUTCLR：32bit寄存器，bit写1使对应的GPIO输出低，写0不影响对应的GPIO的状态
IN：32bit寄存器，读取每个bit即为读取每个GPIO的状态
DIR：32bit寄存器，bit写1使对应的GPIO配置为输出模式，写0使对应的GPIO配置为输入模式
DIRSET：32bit寄存器，bit写1使对应的GPIO配置为输出模式，写0不影响对应的GPIO的模式
DIRCLR：32bit寄存器，bit写1使对应的GPIO配置为输入模式，写0不影响对应的GPIO的模式
LATCH：与休眠唤醒配置有关，见下方
DETECTMODE：与休眠唤醒配置有关，见下方
PIN_CONF：32个32bit寄存器。单独配置每个GPIO的输入输出（可覆盖DIR寄存器），输出模式、输出驱动能力、内部上下拉。

GPIO输出状态与驱动能力配置

Introduction to GPIO - General Purpose I/O - NerdyElectronics

我们知道GPIO的输出电路内部是两个MOS管作为开关，也就是说，GPIO其实有三种状态：

输出高电平：上管导通、下管关断。通常代表逻辑1。
输出低电平：上管关断，下管导通。通常代表逻辑0。
输出高阻态：上下管均关断。可以代表逻辑0或逻辑1，取决于电路设计者自身的定义。

但我们控制GPIO时，代码中只会写0和1两种状态。这就要求我们提前配置好GPIO的输出模式（推挽、漏极开路、源极开路），每一种都代表不同的高、低电平或高阻态的组合：

以上8种状态，包含了推挽、漏极开路、源极开路的状态。此外，当GPIO输出高电平或低电平时，还有标准驱动能力（Standard）和高驱动能力（High drive）两种选择。

举例来说，S0S1就是推挽（Push-Pull）输出；而S0D1就是开漏（Open-Drain）输出。我们知道开漏输出是为了做“线与”操作的，I2C协议就需要这种配置。同理，D0S1就是源极开路输出，可以实现“线或”操作。

线与：相连的GPIO中只要有一个输出低电平，则整个线保持低电平，且不能出现短路；

线或：相连的GPIO中只要有一个输出高电平，则整个线保持高电平，且不能出现短路。

这里除了标准驱动能力（Standard）之外，还有高驱动能力（High drive）可以选择。它相比于Standard可以输出更高的电流：

上图中，GPIO的Electrical specification章节记录了GPIO的电气特性。可以看到标准输出和高驱输出时，拉电流与灌电流的承受范围。

GPIO输出电压的变化，本质是给线上的等效电容充电或放电。因此GPIO输入输出电流的能力越强，则输出高频信号的能力越强。

GPIO数字输入

关于输入，值得一提的是Nordic的输入是可以断开的（从框图中也能看出）。因此只要不使能输入和输出，GPIO内部就是断开的，不用担心漏电导致功耗问题。

GPIO内部上拉/下拉电阻

导线高低电平的电磁学本质，是把导线和地平面之间看作一个微小的电容。输出高电平即为给电容充电，输出低电平即为给电容放电。

上/下拉电阻的作用是，当导线上的所有GPIO都处于高阻态时，通过这个上/下拉电阻给导线充、放电，使得导线的电平处于一个确定的状态。

例如I2C总线，线路上所有的IO都是开漏输出，因此需要一个上拉电阻。当所有IO都输出逻辑1（高阻态）时，能通过这个上拉电阻给导线电容充电，使的线路电平被拉高。

如果PCB上没有上拉电阻，就需要MCU配置内部上拉。配置相关的寄存器如下：

使用内部上拉时，需要注意电阻的阻值，典型值为13千欧。线路上的RC值影响线路上电平变化的速度。当无外挂电容，只考虑线路寄生电容时，使用此内部上拉电阻，I2C总线最高只能配置为100kbps。若想要配置到400kbps，请使用外部4.7千欧或更低的上拉电阻。

除了有提高电平变化速度的场景，还有需要降低电平变化速度的场景。例如，一些通过边沿触发的GPIO中断、或者Reset引脚的触发等。不要认为有了上拉电阻，线路的电压就会稳定不受干扰。因为如果线路上电容值很小，微小的电荷变化就会引起巨大的电压变化。因此线路要保持稳定的电平与上拉电阻关系不太大，反而与线路上的电容关系很大。

1.3. GPIO复用

Nordic平台的外设配置GPIO时，基本上是可以任意选择的。并且，外设的配置可以自动覆盖（Override）GPIO的输入输出方向、输出值等配置。见本文1.2.小节框图中的几个OVERRIDE信号。但是，GPIO的上下拉、输出模式等配置，还是要在GPIO的寄存器中进行配置。

数字复用

要配置一个外设所使用的GPIO，只需直接在这个外设对应的寄存器中进行配置。例如，下图是PWM外设中的PSEL（Pin Select）寄存器，就是可以选择任意一个port的任意一个pin作为输出引脚。当你在PWM外设的寄存器中配置引脚之后，会自动按照本文1.2小节框图中的OVERRIDE信号来覆盖对应GPIO的。

模拟复用

模拟复用不能选择任意的GPIO，只能选择具有Analog Input功能的GPIO。以SAADC为例，这里只能选择AINx或者内部VDD、内部VDD/5作为输入，而不是GPIO的引脚编号。

特殊GPIO（RESET和NFC Tag）

Nordic平台具有UICR寄存器，这是一个flash之外的掉电不丢失区域，用于存储一些用户配置，可擦写。其中具有RESET和NFC Tag引脚的配置：

代码中控制reset引脚作为普通GPIO使用

对于reset引脚来说，PSELRESET[0]和PSELREET[1]的值都是PIN=18，PORT=0，CONNECT=0的情况下，P0.18才会作为Reset引脚使用。否则，P0.18作为普通GPIO使用。Reset信号无法映射到其他GPIO。

软件控制reset引脚作为普通GPIO使用：

在nRF5 SDK中，不要设置全局宏定义CONFIG_GPIO_AS_PINRESET

在NCS中：

在NCS v2.5.0版本之前，CONFIG_GPIO_AS_PINRESET=n

在NCS v2.5.0版本及之后。需要在device tree overlay中操作UICR
&uicr{
   /delete-property/ gpio-as-nreset;
};
特别注意：VS Code默认的烧录（west flash 烧录）会将pin reset打开导致程序里面删掉的UICR pin reset失效（相当于写了值到UICR）。

所以最好在VS Code中把烧录的配置改为soft reset. 这个配置在VS Code左下角齿轮设置中设置即可：

代码中控制NFC引脚作为普通GPIO使用

NFC引脚是固定的两个，对于nRF52833来说是P0.09和P0.10。默认情况下这两个IO是GPIO，只有UICR中对应的bit写1之后，这两个IO才能作为NFC来工作。

软件控制NFC引脚作为普通GPIO使用：
在nRF5 SDK中，在Keil/SES/Makefile中设置全局宏定义CONFIG_NFCT_PINS_AS_GPIOS
在NCS中:

在NCSv2.5.0之前：在prj.conf或其他配置文件中，添加CONFIG_NFCT_PINS_AS_GPIOS=y

在NCSv2.5.0及之后：在device tree overlay中修改UICR配置：
&uicr {
	nfct-pins-as-gpios;
};
添加后，系统启动时会自动擦写、配置UICR。

1.4. GPIO的Sense机制

从GPIO的框图中我们可以看出，每个GPIO在处于输入模式的情况下，有一个SENSE信号。它可以被每个引脚的PIN_CNF寄存器中对应的bit位控制。可以配置为高电平触发或低电平触发。

所有引脚的Sense信号会汇聚成一个DETECT信号。这个DETECT信号有两种作用：

使系统从System Off模式中唤醒（也就是GPIO唤醒休眠）
在GPIOTE外设中产生Port中断（后续在GPIOTE章节中介绍）

这个DETECT信号本身又有两种模式，通过DETECTMODE寄存器进行配置。

第一种是单纯的把所有引脚的PINx.DETECT信号进行逻辑或运算，也就是标准的DETECT信号。

另一种是在逻辑或之前加了一个锁存器（Latch），当PINx.DETECT置1时，相当于RS锁存器的Set端写1，LATCH寄存器中的对应Bit会被写1；当PINx.DETECT置0时，LATCH寄存器中的对应Bit会被锁存，不会变化。LATCH寄存器中对应的bit只有被CPU显式地写1时才会清0，相当于RS锁存器的Clear端写1。这个叫做LDETCT信号。

2. GPIOTE与PPI介绍

对于第一次接触Nordic平台的开发者，首先要明白一个概念：GPIOTE和GPIO是完全不同的外设。要理解为什么是这样，需要先理解Nordic外设接口（Peripheral interface）。

2.1. 外设接口（Peripheral interface）

在Nordic平台中，无论是什么外设，都遵循类似的外设接口，其框图如下：

整个框图代表外设，这个外设可以是Timer、串口、ADC等等。接下来详细解释内部框图的意思，框图中展示的都是所有外设都有的共通的部分。

TASK寄存器

TASK寄存器代表这个外设的输入。例如Timer计时的开始、结束、清零；ADC采样的开始、结束；串口的发送开始、结束等等。只要CPU给对应的TASK寄存器写1，外设就会去执行对应的动作。

EVENT寄存器与INTEN寄存器

EVENT寄存器代表这个外设的输出。例如串口DMA缓存接收满、ADC采样完成等等。这些事件（EVENT）可以用来触发CPU中断，只需要在INTEN寄存器中使能某个EVENT对应的中断，那么这个EVENT就能触发IRQ信号到NVIC模块。

SHORTS寄存器

Shorts意为短路。它可以让某个外设的EVENT自动触发自己的TASK，从而实现自动循环执行，无需CPU的干预。

这个短路路径是预设好的，固定的几条，不能自由搭配。以定时器为例：

定时器最多有6个比较（Compare）通道。当定时器中的count值增长到某个通道的compare值时，触发compare事件。这里可以通过使能对应的SHORT寄存器，让这个COMPARE EVENT去触发定时器的CLEAR TASK，从而实现自动循环计数。也可以让这个COMPARE EVENT去触发定时器的STOP TASK，从而实现单次计数。

这里是无法把compare event连接到start task的（虽然这种连接本身没有意义），因为SHORTS寄存器里的路径是预设好的。

2.2. PPI (Programmable Peripheral Interconnect)

在2.1章节中我们了解了外设的接口。从框图中可以看到TASK和EVENT寄存器上，还连接了PPI。这个PPI本身也是一个外设，它可以让你把一个外设的EVENT寄存器直接连接到另一个外设的TASK寄存器上，从而实现外设之间的自动联动，无需CPU参与处理。

图中的竖线，代表PPI的通道（Channel），nRF52833共有32条通道，其中前20条可以自由配置。每个通道可以连接1个EVENT，和2个TASK。（把EVENT寄存器的地址写入到CH[n].EEP寄存器；然后把想触发的TASK写到CH[n].TEP或者FORK[n].TEP中即可）。

举一个实际的例子，就是《Zephyr驱动与设备树实战——串口》中的提到高速异步串口：首先，Nordic的串口硬件具有DMA的功能，可以直接把数据从串口搬运到内存；然后，Nordic的串口驱动软件具有空闲计时的功能，当一定时间没有收到数据，DMA缓存还没存满的时候，就直接不等DMA中断了，直接产生串口回调函数，让CPU提前处理。

这里就产生了一个问题：此时DMA缓存未满，CPU只知道首地址，如何知道数据的长度呢？毕竟串口外设本身可没有计数功能。（RXD.AMOUNT寄存器只有DMA传输完毕才能读，这种提前读取的场景是不知道有多少的）。

一个纯软件的方法，就是每读到1个字节，就进入CPU中断，把一个变量+1。当传输完成时，读取这个变量，就知道一共收到了多少字节了。但是这种方法非常消耗CPU资源，且功耗高。当串口波特率达到921600时，CPU几乎无法做别的事情了。

Nordic的驱动代码采用的是PPI的方法。每收到一个字节（EVENTS_RXDRDY），就通过PPI让Timer的计数器+1（TASKS_COUNT）。等到传输完毕时，直接读取Timer的计数值即可。整个传输过程中CPU都处于休眠状态，只有串口、timer、总线、内存等在工作。从而实现高性能、低功耗。

同理，带有流控的串口发送也是如此。串口正在发送时，突然收到流控制停止发送的信号，这时串口DMA立即停止发送。当重新恢复发送时，如何知道该从第几个字节开始重新发？也是一样使用Timer进行计数。

PPI的使能与分组

PPI每个通道可以单独使能或关闭。通过CHEN寄存器写1使能，写0关闭。或者通过CHENSET和CHENCLR寄存器这种类似于SR锁存器的操作方式进行使能或关闭。

nRF52833的PPI外设还有6个通道组。每个通道组有32个bit，对应32条通道。只要某个Bit置1，那么对应的通道就会被包含在这个通道组里：

通道组的作用仅仅只是让你可以同时使能或者关闭一组通道。

固定的PPI通道

对于nRF52833来说，20～31号通道是不可编程的，它的连接是固定的。通常用于连接RADIO、加密、RTC等外设。Nordic提供的无线协议栈（例如SoftDevice蓝牙低功耗协议栈）内部会用到这些PPI。

分布式PPI（DPPI）

从nRF5340、nRF9160开始，Nordic内部的PPI升级为DPPI。从而把1对2的PPI通道升级为多对多的PPI通道。

每个外设的TASK寄存器会有对应的SUBSCRIBE（订阅）寄存器；EVENT寄存器会有对应的PUBLISH（发布）寄存器。通过发布-订阅不同的DPPI通道，实现了多对多的外设事件传输。

具体可以参考nRF5340或nRF9160的手册。

NCS中的PPI代码

前面都是讲解原理，比较详细。实际到NCS的代码中，PPI并不那么复杂。只需记住两个原则：

NCS中无论是PPI还是DPPI，都被封装为gppi接口，因此开发者无需关注它们的区别；
永远不要自己指定某个具体的通道号来使用。因为Nordic的很多驱动代码里都用到了PPI，如果自己指定，很有可能和驱动中已经使用的通道冲突。因此我们应该用API来自动分配PPI通道，而不是自己指定。

#include <helpers/nrfx_gppi.h>
#include <nrfx_timer.h>
#include <nrfx_gpiote.h>

...
    
// 分别获取两个外设的特定EVENT和TASK地址
uint32_t EVENT = nrfx_timer_compare_event_address_get(&timer_inst, NRF_TIMER_CC_CHANNEL0);
uint32_t TASK = nrfx_gpiote_out_task_address_get(&gpiote_inst, OUTPUT_PIN));

// 自动分配一个空闲的PPI通道
uint8_t gppi_channel;
nrfx_gppi_channel_alloc(&gppi_channel);

// 使用此通道连接一个EVENT寄存器和一个TASK寄存器
nrfx_gppi_channel_endpoints_setup(gppi_channel, EVENT, TASK);

// 使能通道
nrfx_gppi_channels_enable(BIT(gppi_channel));

PPI例程位置：${NCS}/modules/hal/nordic/nrfx/samples/src/nrfx_gppi

2.3. GPIOTE (GPIO Tasks & Events)

GPIOTE和GPIO是不同的外设。通过第一章的介绍，我们知道GPIO作为输入输出，可以被CPU和其他外设使用。但是GPIO本身并不具有TASK和EVENT寄存器，因此无法与我们第二章介绍的PPI联动起来。

GPIOTE: Pin Task, Pin Event

GPIOTE也有很多通道（Channels），对于nRF52833来说有8个，每一个通道可以连接1个GPIO。给这个GPIO扩展出TASK和EVENT寄存器，分别是：

TASKS_SET：使对应的GPIO输出高电平
TASKS_CLR：使对应的GPIO输出低电平
TASKS_OUT：使对应的GPIO输出一个预设的行为（在GPIOTE->CONFIG寄存器的POLARITY bits中配置，这个预设的行为可以是输出高、输出低、翻转）
EVENTS_IN：当对应的GPIO检测到预设的波形时，产生一个EVENT（同样在GPIOTE->CONFIG寄存器的POLARITY bits中配置。这个预设的行为可以是上升沿、下降沿、双边沿）

你可以用这些通道连接一个具体的GPIO，这样，本来不能产生中断的GPIO就可以通过EVENT寄存器产生中断了。

要查看具体的代码，同样可以查看${NCS}/modules/hal/nordic/nrfx/samples/src/nrfx_gppi例程。注意到GPIOTE的通道也是一种可以分配的资源。和PPI类似，使用时，不要自己指定具体的通道号，而应该用nrfx_gpiote_channel_alloc()函数来申请一个空闲的通道，以免和Nordic驱动代码中已经使用的GPIOTE通道冲突。

GPIOTE: Port Event

GPIOTE还有一个EVENT寄存器叫做EVENTS_PORT。在第一章节讲述GPIO时，提到GPIO有一个SENSE机制，全体GPIO的SENSE信号进行或运算后，会得到DETECT信号。

这里GPIOTE的EVENTS_PORT就是用来把这个DETECT信号变成一个Events寄存器，从而可以用来产生中断，或者连接PPI。

DETCT信号虽然不是一个EVENT，但是DETECT信号本身就能把CPU从System Off模式唤醒，无需GPIOTE。

功耗优化

当我们要使用GPIO中断时，既可以用GPIOTE Pin Event来触发中断，也可以使用GPIOTE Port Event来触发中断。
二者的区别在于系统休眠等待时，等待两种事件消耗的电流不同，以nRF52840为例：

大多数情况下我们都推荐用Port Event，功耗更低。但它的响应速度不如Pin Event，比如可能检测不到宽度仅为1us的脉冲。

3. 在Zephyr系统中使用GPIO

前面两章详细介绍了GPIO、GPIOTE和PPI的硬件，目的是让开发者在遇到问题时可以知道该从哪里去Debug，该看什么寄存器。但在一开始软件开发时，不需要关心这么多细节。只需调用现成的驱动API即可。

3.1. 在Zephyr DeviceTree中配置GPIO

由于Zephyr所有硬件操作都在DeviceTree中完成，故需要先配置DeviceTree。下图演示了如何在一个node中写gpio：

 n: node {
    foo-gpios = <&gpio0 1 GPIO_ACTIVE_LOW>,
                <&gpio1 2 GPIO_ACTIVE_LOW>;
 }

首先，由于GPIO的配置是一个属性，因此必须写在一个节点（Node）内，例如led_0内。

在《详解Zephyr设备树（DeviceTree）与驱动模型》一文中，我们知道DeviceTree的节点不能自己随便增加，每个节点都有对应的compatible，而compatible又必须有对应的Device Binding yaml文件，以及对应的驱动文件。现在问题是，如果我只想单纯的添加一个自由的GPIO，不使用任何led或者button驱动程序，该如何做？

你可以把gpio放在/zephyr,user节点下。这是一个自由的节点，就是用来绕过Device Binding，专门放开发者一些自由的device tree属性的，想在里面写什么都可以。
/{
    zephyr,user{
        my-gpios = <&gpio0 12 (GPIO_ACTIVE_HIGH|GPIO_PUSH_PULL|GPIO_PULL_DOWN)>;
    };
};

然后是属性的名字，属性的名称必须以gpios结尾，也可以只写gpios。这样它才能被编译系统识别。

然后是属性的值，这是一个phandle-array类型的属性，可以写很多组。每个元素都是由三个部分组成：

GPIO Controller：也就是我们俗称的port。这里可以直接引用label，例如&gpio0。
GPIO Pin Number：这个就是引脚编号。P0.12的编号就是12。
GPIO配置：激活状态、输入输出、上下拉等等。可以在这里配置，也可以后续在应用代码里配置修改。

注意，部分开发者会有误解。

激活状态GPIO_ACTIVE_LOW的意思是“逻辑1 = 低电平”；GPIO_ACTIVE_HIGH的意思是“逻辑1 = 高电平”。这是用于配置激活状态的参数，而不是部分人误解的配置默认输出高低电平的参数。

GPIO_ACTIVE_LOW常见于LED灯。因为MCU gpio灌电流能力比拉电流能力强，因此LED电路往往是电流流入GPIO，也就是“低电平 = LED灯亮”。

更多GPIO配置的参数选项，请参考文档：https://docs.zephyrproject.org/latest/hardware/peripherals/gpio.html

3.2. 在代码中控制GPIO

首先，需要在conf文件中使能GPIO的驱动（大多数例程都是默认使能的）：

CONFIG_GPIO=y

在代码中，首先包含头文件：

#include <zephyr/devicetree.h>
#include <zephyr/device.h>
#include <zephyr/drivers/gpio.h>

使用device tree中定义的gpios来控制

在main函数中创建一个gpio_dt_sepc结构体，这个是操作一个单独GPIO的句柄：

 const struct gpio_dt_spec my_gpio = GPIO_DT_SPEC_GET(DT_PATH(zephyr_user), my_gpios);

device tree中的内容都不可更改，故用cosnt变量存储最好
GPIO_DT_SPEC_GET()可以直接从device tree中读取到一个结构体的值
第一个参数是node_id，由于我们放在/zephyr,user节点下，故可以用绝对路径来指明这个节点，DT_PATH(zephyr_user)。其中逗号是名称的一部分，在C语言中要变成下划线，才能当作名称的一部分。
第二个参数是device tree的属性，也就是my-gpios。在C语言中，-需要变成下划线。

然后就可以配置、读写该GPIO

// write
gpio_pin_configure_dt(&my_gpio, GPIO_OUTPUT);
gpio_pin_set_dt(&my_gpio, 1);

//read
gpio_pin_configure_dt(&my_gpio, GPIO_INPUT);
int val = gpio_pin_get_dt(&my_gpio);

绕过device tree配置，直接控制GPIO

使用port控制不需要像前面一样给单独的pin编写device tree，适合快速写一些测试用的代码。但它的缺点是，你使用的所有GPIO都不会在DeviceTree中有提示，如果有GPIO使用冲突，编译时无法帮你检查出来。

//获取GPIO Port的句柄
const struct device *dev_gpio0 = DEVICE_DT_GET(DT_NODELABEL(gpio0));

gpio_pin_configure(dev_gpio0, 12, GPIO_OUTPUT);
gpio_pin_set(dev_gpio0, 12, 1);

gpio_pin_configure(dev_gpio0, 12, GPIO_INPUT);
int val = gpio_pin_get(dev_gpio0, 12);

更多API，请参考Zephyr GPIO文档。

配置IO口电流驱动能力

从第1章我们知道，Nordic MCU的IO口驱动能力是可以配置的，这个是Nordic独有的功能，与Zephyr无关，具体参数为：

/** Standard drive for '0' (default, used with GPIO_OPEN_DRAIN) */
#define NRF_GPIO_DRIVE_S0	(0U << 8U)
/** High drive for '0' (used with GPIO_OPEN_DRAIN) */
#define NRF_GPIO_DRIVE_H0	(1U << 8U)
/** Standard drive for '1' (default, used with GPIO_OPEN_SOURCE) */
#define NRF_GPIO_DRIVE_S1	(0U << 9U)
/** High drive for '1' (used with GPIO_OPEN_SOURCE) */
#define NRF_GPIO_DRIVE_H1	(1U << 9U)
/** Standard drive for '0' and '1' (default) */
#define NRF_GPIO_DRIVE_S0S1	(NRF_GPIO_DRIVE_S0 | NRF_GPIO_DRIVE_S1)
/** Standard drive for '0' and high for '1' */
#define NRF_GPIO_DRIVE_S0H1	(NRF_GPIO_DRIVE_S0 | NRF_GPIO_DRIVE_H1)
/** High drive for '0' and standard for '1' */
#define NRF_GPIO_DRIVE_H0S1	(NRF_GPIO_DRIVE_H0 | NRF_GPIO_DRIVE_S1)
/** High drive for '0' and '1' */
#define NRF_GPIO_DRIVE_H0H1	(NRF_GPIO_DRIVE_H0 | NRF_GPIO_DRIVE_H1)

需要包含头文件，才可以使用这些参数

#include <zephyr/dt-bindings/gpio/nordic-nrf-gpio.h>

...

gpio_pin_configure_dt(&my_gpio, GPIO_OUTPUT | GPIO_OPEN_DRAIN | NRF_GPIO_DRIVE_H0);
// 开漏输出，且低电平为高电流驱动能力

3.3. 使用GPIO中断

使用GPIO输入中断也很简单，参考${NCS}/zephyr/samples/basic/button即可。具体步骤为：

void button_pressed(const struct device *dev, struct gpio_callback *cb,uint32_t pins)
{
	printk("Button pressed at %lu \n", k_cycle_get_32());
}

void main()
{
    ...
        
    // get the gpio dt specifier
    const struct gpio_dt_spec button = GPIO_DT_SPEC_GET(DT_ALIAS(sw0), gpios);

    // configure pin
    gpio_pin_configure_dt(&button, GPIO_INPUT);

    // configure interrupt: rising edge
    gpio_pin_interrupt_configure_dt(&button, GPIO_INT_EDGE_TO_ACTIVE);

    // init and add your callbacks
    static struct gpio_callback button_cb_data;
    gpio_init_callback(&button_cb_data, button_pressed, BIT(button.pin));
    gpio_add_callback(button.port, &button_cb_data);
    
    ...
}

另外，前面提到，GPIOTE输入中断，既可以用Pin Event，也可以用Port Event。Port Event的响应速度稍慢，但功耗会低15uA。上面展示的是Pin Event的配置方法。
如果要使用Port Event，只需在DeviceTree Overlay文件中，在对应的GPIO Port的节点中，设置一个sense-edge-mask属性，把所有需要使用Port Event的引脚的对应bit设为1即可，例如：

这里的BIT(10)的意思就是0x00000001<<10，也就是说，在GPIO PORT1的32个GPIO中，只有P1.10的中断会用Port Event实现，而其他GPIO的中断会用Pin Event来实现。

注意，不要真的拿这个代码去处理按钮。因为这个是最底层的GPIO中断，并没有按键消抖功能。

4. 在Zephyr中分配外设引脚

从第一章我们知道，Nordic的引脚基本上可以任意分配给所有外设的。某些外设的驱动程序在读取device tree时，就是按照前面第3章描述的gpio的写法进行读取的，例如SPI的片选引脚。

除了使用gpios这种属性去配置外，我们在device tree中看到更多的是使用pinctrl去控制。

&spi3 {
	status = "okay";
	cs-gpios = <&arduino_header 16 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* D10 */
	pinctrl-0 = <&spi3_default>;
	pinctrl-1 = <&spi3_sleep>;
	pinctrl-names = "default", "sleep";
};

&pinctrl{
	spi3_default: spi3_default {
        group1 {
            psels = <NRF_PSEL(SPIM_SCK, 1, 15)>, // P1.15
                <NRF_PSEL(SPIM_MISO, 1, 14)>,    // P1.14
                <NRF_PSEL(SPIM_MOSI, 1, 13)>;    // P1.13
        };
    };

    spi3_sleep: spi3_sleep {
        group1 {
            psels = <NRF_PSEL(SPIM_SCK, 1, 15)>, // P1.15
                <NRF_PSEL(SPIM_MISO, 1, 14)>,    // P1.14
                <NRF_PSEL(SPIM_MOSI, 1, 13)>;    // P1.13
            low-power-enable;
        };
    };
}

这个其实不用太深入理解，改引脚时照葫芦画瓢即可。例如，以上代码定义了两种状态，分别叫"default"和"sleep"，两种状态的GPIO配置并不相同。那么在厂商提供的驱动代码中，只需要一行pinctrl_apply_state()函数，就能把所有的GPIO同时切换到另一种状态。这个是方便了驱动代码的编写。

只需注意，外设的引脚也是可以配置IO口电流驱动能力、上下拉的，例如：

i2c0_default: i2c0_default {
    group1 {
        psels = <NRF_PSEL(TWIM_SDA, 0, 26)>,
            <NRF_PSEL(TWIM_SCL, 0, 27)>;
        nordic,drive-mode = <NRF_DRIVE_S0D1>; // standard 0, disconnect 1
        bias-pull-up;                         // internal pull-up
    };
};

具体可配置的参数，大家可以Ctrl+鼠标左键，先跳转到pinctrl节点。然后再Ctrl+鼠标左键，点进"nordic,nrf-pinctrl"，查看DeviceBinding文件即可。

5. LED与Button库

前面都是GPIO的基础用法。如果你需要的只是驱动LED或者Button，可以直接使用Nordic现成的驱动API。

DK Libary

文档：https://developer.nordicsemi.com/nRF_Connect_SDK/doc/latest/nrf/libraries/others/dk_buttons_and_leds.html

这是Nordic为开发板（Development Kit）提供的一个简易的库，支持4个以内的LED和Button。其中Button已经做了去抖。

我们在开发板默认的Device Tree中看到的led和button节点就是为这个库服务的。许多简单的例程就是用它来控制GPIO。

# 需要开启的配置
CONFIG_DK_LIB=y

通用应用程序框架（Common Application Framework, CAF）

CAF是Nordic为商业级应用程序开发的一个框架库。里面有蓝牙、功耗管理、SMP DFU等软件模块，其中当然也包含按钮和LED。

CAF: LEDS库提供了基本的GPIO LED和PWM LED功能，并且可以配置灯效。

CAF: Buttons库除了提供基本的Button去抖功能以外，还支持低功耗（不用时把按钮disable掉），并且支持矩阵键盘。

posted @ 2024-04-17 17:08 jayant97 阅读(1203) 评论(0) 编辑收藏举报

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