LPC1114通用輸入/輸出端口（GPIO）

在第一節(jié)中已經介紹過，LPC1114處理器是一個32位結構的處理器，但它的GPIO端口沒有把32根引腳都接出來，而是每組只接出來12根引腳（注意，第四組只接出來6根引腳），共有4組，一共42根引腳。它們都具有如下特點：

1.可通過軟件配置GPIO引腳為輸入或輸出
2.每個獨立的端口引腳均可作為外部中斷的輸入引腳（邊沿或電平觸發(fā)）
3.邊沿觸發(fā)中斷可配置為上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)以及雙邊沿觸發(fā)
4.電平觸發(fā)中斷引腳可以配置為高電平或低電平觸發(fā)
5.所有GPIO引腳默認情況下均為輸入
6.從端口讀取和寫入數據操作可以通過地址位13:2屏蔽

端口的具體使用配置會在后面一一進行討論，這里先來看一下“通用輸入/輸出端口GPIO”的結構體是如何定義的，代碼如下。
typedef struct

{

union {

__IO uint32_t MASKED_ACCESS[4096];/*!< Offset: 0x0000 to 0x3FFC Port data Register for pins PIOn_0 to PIOn_11 (R/W) */

struct {

uint32_t RESERVED0[4095];

__IO uint32_t DATA;/*!< Offset: 0x3FFC Port data Register (R/W) */

};

};

uint32_t RESERVED1[4096];

__IO uint32_t DIR;/*!< Offset: 0x8000 Data direction Register (R/W) */

__IO uint32_t IS;/*!< Offset: 0x8004 Interrupt sense Register (R/W) */

__IO uint32_t IBE;/*!< Offset: 0x8008 Interrupt both edges Register (R/W) */

__IO uint32_t IEV;/*!< Offset: 0x800C Interrupt event Register(R/W) */

__IO uint32_t IE;/*!< Offset: 0x8010 Interrupt mask Register (R/W) */

__I uint32_t RIS;/*!< Offset: 0x8014 Raw interrupt status Register (R/ ) */

__I uint32_t MIS;/*!< Offset: 0x8018 Masked interrupt status Register (R/ ) */

__O uint32_t IC;/*!< Offset: 0x801C Interrupt clear Register (R/W) */

} LPC_GPIO_TypeDef;

上述代碼對LPC1114的GPIO端口的進行了結構體定義，由于GPIO位于內存地圖中的AHB部分，所以從代碼中可以看出，同前面討論的結構體一樣，它定義的成員變量利用偏移地址與AHB中的GPIO寄存器進行了對映。特殊的地方在于多了一個關于union的定義，要弄清這個定義，還必須回到AHB模塊部分的寄存器描述中去。下圖就給出了AHB模塊內GPIO部分的寄存器分布情況。

對應上圖與結構體中的內容可以看出，除了GPIODATA以外，其它寄存器與結構體成員的對映關系與前面討論的SYSCON的一樣。但對于GPIODATA就不能用前面的方法來分析了。下面就著重來討論一下GPIODATA寄存器與其結構體成員之間是如何進行對映的。

GPIODATA寄存器是GPIO的數據寄存器，它存放的數據直接被輸出到GPIO的引腳上，引腳輸入的數據也會被放到該寄存器中。所以要對端口進行電平控制（無論是輸入還是輸出），就要對GPIODATA寄存器進行操作。同樣，GPIODATA寄存器也是一個32位的結構，其地址占用4個字節(jié)。而GPIO端口只有12個引腳，因此GPIODATA寄存器只用了低12位來對映GPIO端口引腳。

從上圖中還可以看出，GPIODATA寄存器的偏移地址是從0x0000~0x3FFC。最高地址是0x3FFC是因為，每個GPIODATA寄存器單元占用4 字節(jié)，所以共有0x3FFC/4=0xFFF個（即4095個）GPIODATA寄存器單元，因為地址是從第0個單元算起的，所以總共有4096個單元。而2的12次方剛好就等4096，所以它剛好可以表征12個引腳的容量。由此可以看出，每個引腳電平的值（無論是輸入還是輸出）都可以在GPIODATA寄存器中找到一個對映的單元（因為有4096個引腳狀態(tài)就有4096個GPIODATA地址單元）。這樣做是為什么呢？為什么不把端口引腳統(tǒng)一用一個端口寄存器來描述（姑且稱為“方法一”），寫（或讀）這個端口寄存器不就行了？其實，其它大部分單片機也確實是這樣做的。而這里LPC1114卻要花費4096個地址單元來把引腳狀態(tài)全部描述一遍（姑且稱為“方法二”），也肯定是有它的理由的。其實，應該說LPC1114是兩種方法都包含的（因為嚴格來說，“方法一”包含于“方法二”）。至于“方法二”的優(yōu)點，其實就是可以在不改變其它引腳狀態(tài)下，單獨改變某一引腳上的電平。按理說，通過“與或”的邏輯操作方式，也可以讓“方法一”實現這一功能（其它單片機也是這樣做的），但它必須通過“讀——修改——寫”的步驟來實現。比如要實現僅對P0端口的第7個引腳輸出高電平，程序可寫為“P0 |= 1<<7”，其實就是“P0 =P0| 0b10000000”，這就可以看出，它先要把P0的值讀出來，然后進行修改（和0b10000000相與），最后再把結果寫回P0去。而“方法二”就簡單多了，直接訪問地址為0b10000000的單元就行了。下面詳細來討論方法二是如何實現位操作的。

為了實現“方法二”的位操作，在LPC1114中引入了一個新的概念——屏蔽（MASK）。它利用一個14位的結構來描述屏蔽操作，只有在屏蔽結構中值為1的位所對應的端口引腳值才會生效。例如要改變端口第7個引腳的電平，那么在這個端口所對應的屏蔽結構中，與第7個引腳對應的屏蔽位的值必須為1才行。同時要注意，屏蔽位并不是與端口位置一一對應的，而是屏蔽結構整體“左移”了兩位再來對應！由于端口引腳數量為12，屏蔽結構又整體“左移”兩位，所以它才需要用一個14位的結構來描述。據此，那么剛才第7個引腳所對應的屏蔽位應該是第9位。要改變第7個引腳的電平，屏蔽結構中的第9位的值要是1才行。此過程可用下圖來描述，至于為何屏蔽結構要“左移”兩位，后面會進行詳細討論。

在上圖中，第一行表示的就是屏蔽結構，可見它是一個14位的結構，并且低兩位沒有用。第二行表示要寫入到端口引腳上的值，如果第一行的屏蔽值都為1，那么第二行的這12個值就會被原封不動地寫到12位端口引腳上去。第三行表示的就是端口引腳上的值，可見由于屏蔽結構中只有第9位的值為1，所以對應到要寫入的數據第7位的值（1）就寫到了端口引腳的第7位上去了（第7腳輸出高電平），而端口引腳的其它位則保持不變（不論要寫入的數據中對應的位是何值），這就是屏蔽結構的作用。前面討論過，這個屏蔽結構涵蓋了12位的所有組合狀態(tài)，所以從全部不屏蔽（0x000）到全部屏蔽（0xFFF），都包含在了其中。由此可以看出，當屏蔽結構的值為全部屏蔽（0xFFF）時，就是要寫入的數據值全部都關聯（輸入或輸出）到端口引腳，這也就是前面提到的“方法一”的做法，相當于直接寫數據到端口。所以說“方法二”包含了“方法一”。

從上圖還可以看出，GPIODATA的地址是GPIO基址+屏蔽地址（偏移地址）。在LPC1114中共有4組GPIO端口，它們的基址分別是：port0為0x50000000；port1為0x50010000；port2為0x50020000；port3為0x50030000。而每組端口都有自己的屏蔽地址，4組GPIO基址加上各自的屏蔽地址后就是：port0為0x50000000~0x50003FFC；port1為0x50010000~0x50013FFC；port2為0x50020000~0x50023FFC；port3為0x50030000~0x50033FFC。每組都有4096個32位的單元。

接下來討論為何屏蔽結構要“左移”兩位再來對應。關于這一點，即便在管方文檔中也沒有給出解釋。但通過觀察可以看出，雖然屏蔽結構只用了14位來描述，但由于處理器本身是32位結構的，所以其實每個屏蔽結構本身的長度還是32位的，只不過它只用了低14位就足夠了。換句話說，一個屏蔽結構要占用4個字節(jié)的地址。而全部（4096個）屏蔽結構就要占用4×4096個地址，因為地址是從0算起的，所以整個屏蔽結構所占用的地址是4×4096－1＝16383個，也即十六進制的0x3FFC個。對應上面的“GPIO寄存器分布情況表”會發(fā)現，這個值正好是GPIODATA寄存器地址偏移的最大值。那這兩個之間會有什么關系呢？其實只能證明一點，在引入了屏蔽結構的概念后，屏蔽結構就是GPIODATA寄存器！更確切的說是地址為0x000~0x3FF8這段的GPIODATA寄存器（因為最后一個地址為0x3FFC的屏蔽結構是全部不屏蔽（值全為1），可以認為它無屏蔽作用，所以一般把它當作端口寄存器用（即“方法一”））。

由于C語言中的共用體（或稱聯合體）就具有地址空間復用的特點，所以利用共用體來定義GPIODATA是最為合適的。下面單獨把這部分定義剔出來討論，代碼如下。

union {

__IO uint32_t MASKED_ACCESS[4096];/*!< Offset: 0x0000 to 0x3FFC Port data Register for pins PIOn_0 to PIOn_11 (R/W) */

struct {

uint32_t RESERVED0[4095];

__IO uint32_t DATA;/*!< Offset: 0x3FFC Port data Register (R/W) */

};

};

可以看出，在共用體中定義了兩個部分的復用內容。第一個部分是一個“uint32_t”型的MASKED_ACCESS（屏蔽）數組，一共定義了4096個元素空間。每個數組元素占用4個字節(jié)地址，4096個MASKED_ACCESS數組共占用0x3FFC的地址空間，每個單元都具有可讀可寫的屬性（__IO）。從地址分配可以看出，這個數組包括了從屏蔽所有位（地址0x0000）到不屏蔽任何位（地址0x3FFC）的所有屏蔽結構部分。MASKED_ACCESS[0]對應地址0x0000，屏蔽所有位；MASKED_ACCESS[1]對應地址是0x0004（每個占用4字節(jié)），二進制數是0b00000000000100（14位，左移兩位來對映），即不屏蔽端口第0位引腳；MASKED_ACCESS[2]對應地址是0x0008，二進制數是0b00000000001000（14位，左移兩位來對映），即不屏蔽端口第1位引腳；MASKED_ACCESS[3]對應地址是0x000C，二進制數是0b00000000001100（14位，左移兩位來對映），即不屏蔽端口第0位和第1位引腳；MASKED_ACCESS[4]對應地址是0x0010，二進制數是0b00000000010000（14位，左移兩位來對映），即不屏蔽端口第2位引腳；如此等等；最后一個數組元素是MASKED_ACCESS[4095]，對應地址是0x3FFC，二進制數是0b11111111111100（14位，左移兩位來對映），即不屏蔽任何端口引腳。

到此，就應該可以來回答剛才的問題“為何屏蔽結構要用12位左移2位來表示了”。這是由于，每個MASKED_ACCESS數組元素之間差了4個字節(jié)，為了讓每個屏蔽結構都可以對應到各自對映的數組元素，必須對每個屏蔽結構乘以4。然而在位運算中，左移2位就相當于乘以4，所以用左移了2位的14位屏蔽結構，相當于給每個屏蔽結構都乘以4，這就免去了對4096個屏蔽結構都乘以4的操作指令！這是屏蔽結構要左移兩位真正原因所在！

共用體中的第二個部分是一個“uint32_t”型的變量DATA。由于其前面定義了4095個“uint32_t”型空數組，避開了屏蔽結構中的前4095個單元。所以最后的變量DATA的起始地址就是0x3FFC，也就是最后一個屏蔽結構的地址。前面說過，最后一個屏蔽結構的值是全1，即不屏蔽。而這里用變量DATA來代替最后一個屏蔽結構，做法非常巧妙。相當于對DATA寫什么值，在端口的引腳上就可以得到相應的電平。此時可認為它就是端口寄存器，而不是屏蔽結構。DATA也必須具有可讀可寫的屬性（__IO）。

下面用一個例子來說明一下整個過程。例如，要讓第0組GPIO的第0、3、10位輸出1，其它位保持不變，需要如何操作。

首先看，要這三位輸出1，先要給這三位對應的屏蔽位寫1，則它們對應的14位屏蔽結構應該是“0b01000000100100”，換算成十六進制是“0x1024”。這個“0x1024”就是在0x0000~0x3FFC地址之間的一個單元，也即通過共用體對映到了4096個MASKED_ACCESS數組元素中的其中一個。但它到底是哪個MASKED_ACCESS數組元素呢？由于它們之間是4倍的關系，所以0x1024/4=0x409，十進制為1033，即MASKED_ACCESS[1033]單元。而寫給端口的數據則是不左移的12位，即“0b010000001001”，換算成十六進制剛好就是“0x409”，十進制為1033，即該數組元素的編號。因此，通過執(zhí)行MASKED_ACCESS[1033]=0x409，就可以實現對第0、3、10位輸出1。而實際上，執(zhí)行MASKED_ACCESS[1033]=0xFFF效果也是一樣的，因為除了第0、3、10位為1以外，其它位可為任何值。同理，要對第0、3、10位輸出0，執(zhí)行MASKED_ACCESS[1033]=0x000和執(zhí)行MASKED_ACCESS[1033]=0xBF6是一樣的效果。

所以綜上所述，MASKED_ACCESS要引用的數組單元，就是要輸出到引腳上12位值的十進制數。當然，要實際引用，還要在程序預定義部分進行地址對映，代碼如下。

#define LPC_AHB_BASE (0x50000000UL)
#define LPC_GPIO0_BASE (LPC_AHB_BASE + 0x00000)
#define LPC_GPIO1_BASE (LPC_AHB_BASE + 0x10000)
#define LPC_GPIO2_BASE (LPC_AHB_BASE + 0x20000)
#define LPC_GPIO3_BASE (LPC_AHB_BASE + 0x30000)
#define LPC_GPIO0 ((LPC_GPIO_TypeDef *) LPC_GPIO0_BASE )
#define LPC_GPIO1 ((LPC_GPIO_TypeDef *) LPC_GPIO1_BASE )
#define LPC_GPIO2 ((LPC_GPIO_TypeDef *) LPC_GPIO2_BASE )
#define LPC_GPIO3 ((LPC_GPIO_TypeDef *) LPC_GPIO3_BASE )

有了上述預定義，剛才的例子就可以執(zhí)行LPC_GPIO0->MASKED_ACCESS[1033]=0x409來實現了。

再來回顧一下前面第一個演示示例中對端口2的操作，主要代碼如下。

while(1)
{
LPC_GPIO2->DATA = 0xAAA;
delay_ms(500);
LPC_GPIO2->DATA = 0x555;
delay_ms(500);
}
從中可以看出，它是通過“方法一”，即直接寫DATA變量來實現的。因為它的全部12位都在變化，所以采用了這種方式。

剩于共用體定義中的其它部分，由于與SYSCON分析中的一樣，可自行參考前面的內容來分析，這里就不再贅述了。最后不要忘記一點，由于在程序中引入了共用體union，所以在預定義部分要加下一句“#pragma anon_unions”，這在前面章節(jié)已經闡述過了。如果用包含頭文件的方式的話，該定義存在于頭文件LPC11xx.h中。