arm cortex-m0plus源码学习（三）GPIO
概述：
Cortex-m0的integration_kit提供三个GPIO接口，其中GPIO0传输到外部供用户使用，为EXTGPIO；GPIO1是内核自己的信号，不能乱改，会崩掉；GPIO2是一些中断，这里没开中断，可以读写相应的寄存器。
1. 寄存器寻址，先看手册：
这里倒没什么特别，第10位为1正好对应地址0x400，为DIR寄存器，同理0x410对应中断寄存器。
对应硬件描述语言：
// 本GPIO设备被选通、总线写、总线传输类型为连续或不连续时有效
wire write_trans = HSEL & HWRITE & HTRANS[1];
// 写信号有效时根据地址选择要写入的寄存器
wire nxt_gpiodata_o_wren = write_trans & (HADDR[10 ] == 1'b0);
wire nxt_gpiodir_wren = write_trans & (HADDR[10: 4] == 7'b1000000);
wire nxt_gpiointmask_wren = write_trans & (HADDR[10: 4] == 7'b1000001);
//-----------------------------------------------------------------------------
// AHB register read mux
//-----------------------------------------------------------------------------
// Drive read mux next state from word address when selected
wire [10:4] nxt_read_mux = HSEL ? HADDR[10:4] : read_mux;
always @(posedge HCLK or negedge HRESETn)
if(~HRESETn)
read_mux <= 7'b0; // Set select to input on reset
else if(HREADY) // When bus is ready
read_mux <= nxt_read_mux; // assign mux select next value
wire [31:0] rdata = (read_mux[10: 4] == 7'b1000000)? gpiodir : ( //Offset 0x400 returns Direction Register
(read_mux[10: 4] == 7'b1000001)? gpiointmask : ( //Offset 0x410 returns Interrupt Mask Register
(read_mux[10 ] == 1'b0)? gpiodata_i : 32'b0)); //Offset 0x0 to 0x3ff returns Data Register
2. GPIODATA读写
这个特别麻烦，手册里说的特别简洁，对应verilog一大堆。
首先是这个Note当初没有仔细看，后来做实验出问题也没想到，直到写这篇总结才发现，人家还给配了图，特意用来表明：gpio模块用了两个寄存器，两个寄存器是独立的。
看图说话：
然后总线的读数据HRDATA永远只读取mask过以后的gpio_in寄存器，总线的HWDATA永远能向gpio_out寄存器写入数据，自画丑图如下：
verilog：
//----------------------------------------------------------------------------- // IO Pad registers //----------------------------------------------------------------------------- assign GPIOEN = gpiodir; assign GPIOOUT = gpiodata_o; wire [31:0] nxt_gpiodata_i = GPIOIN; // Combine bus and register values using mask for next state of Data Out Register wire [31:0] nxt_gpiodata_o = gpiodata_o_wren ? ((HWDATA & type_mask2) | (gpiodata_o & ~type_mask2)) : gpiodata_o; always @(posedge HCLK or negedge HRESETn) if(~HRESETn) begin gpiodir <= {32{1'b0}}; // Disable all buffers on reset gpiointmask <= {32{1'b0}}; gpiodata_o <= {32{1'b0}}; end else if (HREADY) // When bus is ready: begin gpiodir <= nxt_gpiodir; // update direction register gpiointmask <= nxt_gpiointmask; // update interrupt mask register gpiodata_o <= nxt_gpiodata_o; // updata data out register end always @ (posedge FCLK or negedge HRESETn) if(~HRESETn) gpiodata_i <= {32{1'b0}}; // Reset all outputs to zero else gpiodata_i <= nxt_gpiodata_i; // Sample GPIOIN continuously
assign HRDATA = rdata & type_mask2;
并且gpiodata_i这个寄存器的赋值是在FCLK时钟域(HCLK是FCLK的门控时钟，二者同频同相），这么设计为什么暂时不太懂，是害怕漏掉信号的变化？
可以看到，这里对总线读数据HRDATA和gpiodata_o寄存器的写入用的是同一组mask信号：type_mask2，这个mask信号得来不易，先看代码：
//-----------------------------------------------------------------------------
// AHB register read/write mask for byte accesses on Data register
//-----------------------------------------------------------------------------
wire nxt_hsize_zero = (HSIZE[1:0] == 2'b0) & HSEL;
always @ (hsize_zero or haddr_r or mask8 or type_mask)
case({hsize_zero,haddr_r})
3'b100 : type_mask2 = {8'h00, 8'h00, 8'h00, mask8};
3'b101 : type_mask2 = {8'h00, 8'h00, mask8, 8'h00};
3'b110 : type_mask2 = {8'h00, mask8, 8'h00, 8'h00};
3'b111 : type_mask2 = {mask8, 8'h00, 8'h00, 8'h00};
3'b000,3'b001,3'b010,3'b011: type_mask2 = type_mask;
default : type_mask2 = {32{1'bx}};
endcase
type_mask2的真身，可以看到，当hsize_zero为0时type_mask2直接等于type_mask，hsize_zero顾名思义，就是HSIZE为0时有效，这里有点绕，总的来说就是，当HSIZE[1:0]不为0时（字或半字访问），type_mask2=type_mask，再看type_mask：
//----------------------------------------------------------------------------- // AHB write byte address control //----------------------------------------------------------------------------- // Decode term for access to least significant byte wire nxt_byte0 = ( HSIZE[1] ) | ( HSIZE[0] & ~HADDR[1] ) | ( ~HSIZE[0] & ~HADDR[1] & ~HADDR[0] ); // Decode term for access to byte 1 wire nxt_byte1 = ( HSIZE[1] ) | ( HSIZE[0] & ~HADDR[1] ) | ( ~HSIZE[0] & ~HADDR[1] & HADDR[0] ); // Decode term for access to byte 2 wire nxt_byte2 = ( HSIZE[1] ) | ( HSIZE[0] & HADDR[1] ) | ( ~HSIZE[0] & HADDR[1] & ~HADDR[0] ); // Decode term for access to most significant byte wire nxt_byte3 = ( HSIZE[1] ) | //整个字-32bit访问 ( HSIZE[0] & HADDR[1] ) | //半字访问--16bit访问的情况 ( ~HSIZE[0] & HADDR[1] & HADDR[0] ); //字节访问--8bit always @(posedge HCLK or negedge HRESETn) // when bus is ready,byte[3:0] <= nxt_byte[3:0];（这里删去了，为了方便看） wire [31:0] type_mask = { {8{byte3}}, {8{byte2}}, {8{byte1}}, {8{byte0}} };
就是字节使能，HSIZE是总线传输规模，根据AMBA3 AHB Lite手册：
HSIZE[1]=1时是32bit传输，此时type_mask=32'hFFFF_FFFF
HSIZE[1]=0时，看HSIZE[0]
当HSIZE[0]=1时半字访问，再参考总线地址HADDR[1]的状态，看要访问上半字还是下半字，此时：
如果HADDR[1]=0，type_mask=32'h0000_FFFF
如果HADDR[1]=1，type_mask=32'hFFFF_0000
--而HADDR[0]的值是多少，是不care的。
当HSIZE[0]=0时字节访问，type_mask根据HADDR[1：0]的值分别令对应的字节为1：
如果HADDR[1:0]=00，type_mask=32'h0000_00FF
如果HADDR[1:0]=01，type_mask=32'h0000_FF00
如果HADDR[1:0]=10，type_mask=32'h00FF_0000
如果HADDR[1:0]=11，type_mask=32'hFF00_0000
以GPIO0的访问为例，如下：
总的来说就是：总线字（32bit）或半字（16bit）访问GPIO时，不进行位mask，只有字节（8bit）访问时mask8才有用武之地，下面是mask8:
// For byte accesses, the mask is in HADDR[9:2] wire [7:0] nxt_mask8 = (nxt_hsize_zero)? HADDR[9:2] : {8{1'b0}}; always @(posedge HCLK or negedge HRESETn) if(~HRESETn) mask8 <= {8{1'b0}}; // Reset mask to FF else if(HREADY) mask8 <= nxt_mask8; // Update AHB mask with next
其实非常简单粗暴，直接等于HADDR[9：0]，并且手册里也给出了说明：
但是好死不死，给的例子也太不恰当了，写0x40000009访问第9bit，那是不是写0x40000008访问第8bit，那不是一直访问到0x40000020就行了，GPIODATA范围可是0x00~0x3ff，留这么多空间是要做啥？
并且，提供的软件程序(cm0pikmcu.h)都是这样的定义：
1 /*--------------------- General Purpose Input and Ouptut ---------------------*/
2 typedef union
3 {
4 __IO uint32_t WORD;
5 __IO uint16_t HALFWORD[2];
6 __IO uint8_t BYTE[4];
7 } GPIO_Data_TypeDef;
8
9 typedef struct
10 {
11 GPIO_Data_TypeDef DATA [256];
12 GPIO_Data_TypeDef DIR;
13 uint32_t RESERVED[3];
14 GPIO_Data_TypeDef IE;
15 } GPIO_TypeDef;
访问方式：
GPIO0->DATA[0].WORD = 0x55;
没看verilog之前怎么也理解不上去这个定义，想着GPIO，不就一个寄存器吗，自己写呗，于是有了下面的代码：
*(u32 *)(0x40000400) = 0xffffffff; //配置GPIO0->DIR寄存器为输出 *(u8 *)(0x40000000) = 0x55; //-现象：写不进去 *(u32 *)(0x40000000) = 0x12345678; //-现象：可以写，但总有几位写不进去。
事实上，GPIODATA的正确写入方式是：
不进行位屏蔽，按字节访问GPIO寄存器的正确方式：
C代码示例：
unsigned char c0, c1, c2, c3; *(unsigned int *)(0x40001400) = 0xffffffff; //GPIO2设为输出 *(unsigned int *)(0x40001000) = 0xa5a5a5a5; //32bit写时无mask *(unsigned short *)(0x40001000) = 0xff3c; //16bit写时无mask *(unsigned short *)(0x40001002) = 0xc300; //16bit写时无mask *(unsigned int *)(0x40001000) = 0x12345678; *(unsigned char *)(0x400013FC) = 0x55; //字节写，令mask=8，8bit全部写入 *(unsigned char *)(0x400013FD) = 0x55; *(unsigned char *)(0x400013FE) = 0x55; *(unsigned char *)(0x400013FF) = 0x55; c0 = *(unsigned char *)(0x400013FC); c1 = *(unsigned char *)(0x400013FD); c2 = *(unsigned char *)(0x400013FE); c3 = *(unsigned char *)(0x400013FF); *(unsigned char *)(0x400013FD) = 0xaa; c0 = *(unsigned char *)(0x400013FC); c1 = *(unsigned char *)(0x400013FD); c2 = *(unsigned char *)(0x400013FE); c3 = *(unsigned char *)(0x400013FF);
无论是memory查看还是读取到变量都没问题。
并且，由于GPIO模块内部的输入、输出寄存器没有互联，如果硬件上不在GPIO模块外把输出给到输入，你是永远也无法在KEIL里看到刚刚写进去的数据的。integration_kit里对例化的三个GPIO配置如下：
通过COMPIKMCU.v里32个buffer实现的：
bufif1 (EXTGPIO[31], mcu_extgpioout[31], mcu_extgpioen[31]); assign mcu_extgpioin = EXTGPIO;
GPIO1和GPIO2没有引到外部，在MCU.v的上一层，cm0p_ik_sys.v里一个赋值语句实现：
assign sys_gpio2in = sys_gpio2out;
其实GPIO1还比较复杂，并不全是输出给输入，反正是core的信号，没事先别乱动，比如像这样：
assign sys_gpio1in[23:22] = sys_gpio1out[23:22]; assign sys_gpio1in[21] = sys_halted; assign sys_gpio1in[20] = sys_lockup; assign sys_gpio1in[19] = SLEEPDEEP;
3. GPIO模块对总线的响应：
//----------------------------------------------------------------------------- // AHB tie offs //----------------------------------------------------------------------------- assign HREADYOUT = 1'b1; // All accesses to GPIO are zero-wait assign HRESP = 1'b0; // Generate OK responses only
也就是说GPIO模块永远响应OK,且完全按AHB-Lite定义的读写时序，第一个HCLK写地址，第二个HCLK读或写数据
