GPIO General purpose I/O 27/04/2017 1
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- Samuel Flores Segura
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1 GPIO General purpose I/O 27/04/2017 1
2 Lo que se verá en Informática Aplicada 27/04/2017 2
3 GPIO - General Purpose (Digital!) Input/Output Implementadas por pines de conexión directa al exterior que representan la interfaz física entre el microcontrolador (MCU) y el mundo exterior al mismo. El MCU detecta eventos en sus entradas y genera cambios en sus salidas. En general estos pines pueden configurarse como entradas o salidas. Además pueden tener otras funciones alternativas. La lógica puede ser positiva o negativa. 27/04/2017 3
4 GPIO - General Purpose (Digital!) Input/Output Pueden utilizarse como interfaz con dispositivos externos simples Entradas: pulsadores Salidas: LEDs Por ejemplo: encender LED1 o LED2 según la posición del pulsador SW1 27/04/2017 4
5 GPIO - General Purpose (Digital!) Input/Output En general, casi todos los MCUs separan los pines en grupos llamados ports. En los Kinetis cada port tienen 32 pines [31:0]. 27/04/2017 5
6 100 LQFP Pinout Diagram El encapsulado cuadrado plano de perfil bajo o Low-profile Quad Flat Package (LQFP) es un encapsulado de circuito integrado para montaje superficial con los conectores de componentes extendiéndose por los cuatro lados. Los pines se numeran en sentido contrario a las agujas del reloj a partir del punto guía. 27/04/2017 6
7 GPIO-Puertos GPIO contiene 5 Puertos de 32 bits c/u PORTA[31:0] PORTB[31:0] PORTC[31:0] PORTD[31:0] PORTE [31:0] En página 172 de KL46P121M48SF4RM.pdf (KL46 Sub-Family Reference Manual) puede apreciarse la asociación de cada uno de ellos (columna Pin name) a cada pin (columna 100 LQFP) del encapsulado. No todos los pines de los ports están disponibles. Se puede observar también las distintas funciones que cumple cada pin (para limitar el tamaño del dispositivo). 27/04/2017 7
8 GPIO - Ports Como los pines están agrupados en ports, el MCU puede leer todos los pines del mismo a la vez y lo mismo para modificarlos. Cada port tiene asociado un conjunto de registros de control de 32 bits, donde cada bit del mismo se corresponde con un bit del port. 27/04/2017 8
9 GPIO - Ports Cada uno de estos registros está mapeado en memoria. A partir de página 833 de KL46P121M48SF4RM.pdf, para el port A: 27/04/2017 9
10 Diagrama en Bloques GPIO PORT 27/04/
11 GPIO - PUERTOS Configuración Direction (I o O) MUX (GPIO) Datos Output (diferentes formas de acceder a ellas) Input 27/04/
12 GPIO PUERTOS - ESTRUCTURA GPIO Peripheral Access Layer Port Data Output Register (GPIOX_PDOR)[31:0] Port Set Output Register (GPIOX_PSOR) [31:0] Port Clear Output Register (GPIOX_PCOR) [31:0] PORTX Port Toggle Output Register (GPIOX_PTOR) [31:0] Port Data Input Register (GPIOX_PDIR) [31:0] Port Data Direction Register (GPIOX_PDDR) [31:0] X=A,B,C,D,E 27/04/
13 PDDR: Port Data Direction Cada pin puede configurarse distinto Input: 0 Output: 1 Reset clears port bit direction to 0, por seguridad. Apenas se pone PDDR a 1, el MCU excita el pin de acuerdo al registro del port correspondiente 27/04/
14 PDDR: Port Data Direction (pag. 838 de KL46P121M48SF4RM.pdf) 27/04/
15 Escribir en un puerto de salida Directo: escribir valor en PDOR o: Toggle: escribir 1 en PTOR Clear (a 0): Escribir 1 en PCOR Set (a 1): escribir 1 a PSOR 27/04/
16 PDOR (pag. 835 de KL46P121M48SF4RM.pdf) 27/04/
17 PSOR (pag. 836 de KL46P121M48SF4RM.pdf) 27/04/
18 PCOR (pag. 836 de KL46P121M48SF4RM.pdf) 27/04/
19 PTOR (pag. 837 de KL46P121M48SF4RM.pdf) 27/04/
20 Leer de un puerto de entrada- PDIR 27/04/
21 PDIR (pag. 837 de KL46P121M48SF4RM.pdf) 27/04/
22 GPIO PUERTOS - ESTRUCTURA El archivo de cabecera MKL46Z4.h, interface abstracta del hardware, describe las características mas importantes del MCU, en particular define punteros a los registros. El modificador volatile le indica al compilador que la variable declarada puede sufrir modificaciones que no estén explícitas en el código, en caso de leer una variable me garantiza que efectivamente sea leída, aún cuando no haya habido una operación de escritura sobre la misma. /** FGPIO - Peripheral register structure */ typedef struct FGPIO_MemMap { uint32_t PDOR; /**< Port Data Output Register, offset: 0x0 */ uint32_t PSOR; /**< Port Set Output Register, offset: 0x4 */ uint32_t PCOR; /**< Port Clear Output Register, offset: 0x8 */ uint32_t PTOR; */ /**< Port Toggle Output Register, offset: 0xC uint32_t PDIR; /**< Port Data Input Register, offset: 0x10 */ uint32_t PDDR; */ /**< Port Data Direction Register, offset: 0x14 } volatile *FGPIO_MemMapPtr; 27/04/
23 GPIO PUERTOS - ESTRUCTURA Por ejemplo para port A /* GPIO - Peripheral instance base addresses */ /** Peripheral PTA base pointer, sólo muestro para port A*/ #define PTA_BASE_PTR ((GPIO_MemMapPtr)0x400FF000u) //Ver primero la transparencia siguiente, usa estas macros /* GPIO - Register accessors */ #define GPIO_PDOR_REG(base) #define GPIO_PSOR_REG(base) #define GPIO_PCOR_REG(base) #define GPIO_PTOR_REG(base) #define GPIO_PDIR_REG(base) #define GPIO_PDDR_REG(base) ((base)->pdor) ((base)->psor) ((base)->pcor) ((base)->ptor) ((base)->pdir) ((base)->pddr) 27/04/
24 GPIO PUERTOS - ESTRUCTURA /* GPIO - Register instance definitions, solo muestro para porta, accedo a los registros accediendo a un campo de una estructura, a través de un puntero */ #define GPIOA_PDOR #define GPIOA_PSOR #define GPIOA_PCOR #define GPIOA_PTOR #define GPIOA_PDIR #define GPIOA_PDDR GPIO_PDOR_REG(PTA_BASE_PTR) GPIO_PSOR_REG(PTA_BASE_PTR) GPIO_PCOR_REG(PTA_BASE_PTR) GPIO_PTOR_REG(PTA_BASE_PTR) GPIO_PDIR_REG(PTA_BASE_PTR) GPIO_PDDR_REG(PTA_BASE_PTR) En lugar de direcciones uso estas macros, hace el software más portable y permite escribir código de forma mas intuitiva y mucho más fácil de leer. Para acceder a bits individuales? Bitfields, Masks,.. 27/04/
25 Secuencia! 27/04/
26 Se usan muchos los operadores a nivel de bits!!, por ejemplo /* PDDR Bit Fields */ #define GPIO_PDDR_PDD_MASK 0xFFFFFFFFu #define GPIO_PDDR_PDD_SHIFT 0 #define GPIO_PDDR_PDD(x) (((uint32_t)(((uint32_t)(x))<<gpio_pddr_pdd_shift))&gpio_pd DR_PDD_MASK) Veremos cómo aplicar máscaras para leer o escribir a los distintos registros para el caso particular de las I/O digitales que usaremos: 2 leds y 2 pulsadores 27/04/
27 Pulsadores (del esquemático FRDM- KL46ZSCH) 27/04/
28 Pulsadores (pags. 174 y 175 de KL46P121M48SF4RM.pdf) Pulsador SW1 en pin 73 port PTC3 de GPIO Pulsador SW2 en pin 88 port PTC12 de GPIO (El nombre del pulsador tal como figura en la foto que trae el MCU es SW3, pero está conectado al pin SW2) Podemos apreciar en la figura anterior que, cuando el respectivo switch es presionado, en los pines asociados a los puertos PTC3 y PTC12, quedan en cero lógico(0). Cuando el pulsador está abierto para garantizar un 1 lógico se debe conectar una resistencia de pull-up interna. 27/04/
29 LEDs (del esquemático FRDM- KL46ZSCH) Como podemos apreciar en la figura, los LEDs se activan cuando el pin del puerto correspondiente, tiene un 0 lógico puesto que, el ánodo de los leds tiene un 1 como entrada. O sea se apagan con un 1 lógico 27/04/
30 LEDs verde y rojo (del esquemático FRDM-KL46ZSCH) 27/04/
31 LEDs verde y rojo (pags. 172 y 175 de KL46P121M48SF4RM.pdf) LED1 verde pin 98 port PTD5 de GPIO LED2 rojo pin 26 port PTE29 de GPIO 27/04/
32 Pseudocódigo-primer intento (incompleto) // Make PTD5 (LED1) and PTE29 (LED2) outputs set bit 5 of GPIOD_PDDR and bit 29 of GPIOE_PDDR // Make PTC3 input (SW1) clear bit 3 of GPIOC_PDDR // Initialize the output data values: LED 1 off, LED 2 //on, aquí usa PDOR podría haber usado los otros reg. set bit 5 of GPIOD_PDOR, clear bit 29 of GPIOE_PDOR // read switch, light LED accordingly do forever { if bit 3 of GPIOC_PDIR is 1 { // switch is not pressed, then LED 1 off, LED 2 on set bit 5 of GPIOD_PDOR clear bit 29 of GPIOE_PDOR } else { // switch is pressed, so light LED 1, LED 2 off clear bit 5 of GPIOD_PDOR set bit 29 of GPIOE_PDOR } } 27/04/
33 Acceso a los bits de los ports Estilo de codificación Es probable que se cometan errores al usar literales binarias y hexadecimales To set bits 13 and 19 of n, use or 0x Usar valores literales y shifts hacia la izquierda para ello n = (1UL << 19) (1UL << 13); Defina macros (conviene ponerlas en un.h) para indicar la posición de un bit en un port, no tenemos que mirar a cada rato el manual! #define GREEN_LED_POS (19) #define YELLOW_LED_POS (13) n = (1UL << GREEN_LED_POS) (1UL<< YELLOW_LED_POS); Cree otras macros para generar una máscara para el desplazamiento, usando las macros anteriores #define MASK(x) (1UL << (x)) n = MASK(GREEN_LED_POS) MASK(YELLOW_LED_POS); 27/04/
34 Repaso de máscaras con operadores a nivel de bits Para sobrescribir el valor existente en n con una máscara n = MASK(foo); Set en n todos los bits de una máscara que son 1s, no modificando los demás n = MASK(foo);//read-modify-write Complementar el valor de un bit de la máscara ~MASK(foo); Clear en n todos los bits que son 0s en una máscara, no modificando los demás n &= ~ MASK(foo); //read-modify-write Verificar el valor de un bit en un registro Si es 0: if ( n & MASK(foo) == 0 )... Si es 1: if ( n & MASK(foo))... 27/04/
35 Repaso 27/04/
36 Repaso 27/04/
37 Repaso 27/04/
38 Ejemplos de uso de máscaras con operadores a nivel de bits #define LED1_POS 5 #define LED2_POS 29 #define SW1_POS 3 #define SW2_POS 12 #define MASK(x) (1UL<<(x)) GPIOD_PDDR =MASK(5); //Salida GPIOC_PDDR &= ~MASK(3);//Entrada #define LED1_On() #define LED1_Off() #define LED1_Toggle() (GPIOD_PCOR=MASK(5)) (GPIOD_PSOR=MASK(5)) (GPIOD_PTOR=MASK(5)) //pueden usar una máscara para evaluar en un if //si se ha presionado un pulsador if(gpioc_pdir & (MASK(3)) ==0)//si se pulsó SW1 27/04/
39 Clock Gating Los procesadores modernos poseen mecanismos para reducir el consumo del chip apagando todos los recursos que no son usados. Esto se logra apagando el clock de dichos módulos (clock gating). Para configurar que módulos reciben clock se deben habilitar los bits correspondientes en los registros SCGCx (System Clock Gating Control Register x). Después del reset estos bits están apagados para ahorrar energía. Los SCGCx. se encuentran dentro del modulo SIM (System Integration Module). Antes de usar un modulo se debe habilitar el clock de lo contrario se genera un error!. De igual forma antes de apagar un clock, se deberá deshabilitar el modulo. 27/04/
40 Port Clock Gating La lógica de PORT requiere clock para funcionar el registro correspondiente es SCGC5. Pág y 202 de KL46P121M48SF4RM.pdf SIM_SCGC5 = SIM_SCGC5_PORTC_MASK SIM_SCGC5_PORTD_MASK SIM_SCGC5_PORTE_MASK; 27/04/
41 En MKL46Z4.h /** SIM - Peripheral register structure */ typedef struct SIM_MemMap { uint32_t SCGC4; /**< System Clock Gating Control Register 4, offset: 0x1034 */ uint32_t SCGC5; /**< System Clock Gating Control Register 5, offset: 0x1038 */ } volatile *SIM_MemMapPtr; /* SIM - Peripheral instance base addresses */ /** Peripheral SIM base pointer */ #define SIM_BASE_PTR ((SIM_MemMapPtr)0x u) /* SIM - Register accessors */ #define SIM_SCGC5_REG(base) ((base)->scgc5) /* SCGC5 Bit Fields, hay más */ #define SIM_SCGC5_PORTA_MASK #define SIM_SCGC5_PORTC_MASK #define SIM_SCGC5_PORTD_MASK #define SIM_SCGC5_PORTE_MASK 0x200u 0x800u 0x1000u 0x2000u 27/04/
42 D Port Data Direction Register Q Configurando un Freescale: pin is the como pin mux location in this GPIO PDOR select diagram accurate? PSOR select PCOR select PTOR select Set Rst Tgl D Port Data Output Register Q Pin or Pad on package PDIR select I/O Clock D Port Data Input Register Q Pin Control Register MUX field Se usa un multiplexor para incrementar la configurablidad de los pines. Cómo conectamos un pin a la circuitería interna? Cada pin configurable tiene asociado un Pin Control Register (PCR) de 32 bits, el cual tiene un campo MUX para definir qué función tendrá el pin PORTX_PCRn X=A,B,C,D,E n=0:31 27/04/
43 Pin Control Register (pág y 187 de KL46P121M48SF4RM.pdf) 27/04/
44 PIN CONTROL REGISTER Descripción de señales según el encapsulado MK64FN1M0VLL12 (FRDM-K64 Board) LL = 100 LQFP (14 mm x 14 mm) 27/04/
45 PCR en el header /** PORT - Peripheral register structure */ typedef struct PORT_MemMap { uint32_t PCR[32]; /**< Pin Control Register n, array offset: 0x0, array step: 0x4 */ uint32_t GPCLR; /**< Global Pin Control Low Register, offset: 0x80 */ uint32_t GPCHR; /**< Global Pin Control High Register, offset: 0x84 */ uint8_t RESERVED_0[24]; uint32_t ISFR; /**< Interrupt Status Flag Register, offset: 0xA0 */ } volatile *PORT_MemMapPtr; /* PORT - Register accessors, hay otros */ #define PORT_PCR_REG(base,index) ((base)->pcr[index]) /* PCR Bit Fields, sólo los que usaremos */ #define PORT_PCR_MUX_MASK 0x700u #define PORT_PCR_MUX_SHIFT 8 #define PORT_PCR_MUX(x) (((uint32_t)(((uint32_t)(x))<<port_pcr_mux_shift))&port_pcr_mux_mask) #define PORT_PCR_PS_MASK 0x1u #define PORT_PCR_PS_SHIFT 0 #define PORT_PCR_PE_MASK 0x2u #define PORT_PCR_PE_SHIFT 1 /* PORT - Register array accessors, hay más */ #define PORTD_PCR(index) PORT_PCR_REG(PORTD_BASE_PTR,index) //donde /** Peripheral PORTD base pointer */ #define PORTD_BASE_PTR ((PORT_MemMapPtr)0x4004C000u) 27/04/
46 MUX del Pin control Register //Set PT5 (connected to green LED) for GPIO functionality PORTD_PCR5 =PORT_PCR_MUX(1); MUX (bits 10-8) Configuration 000 Pin disabled (analog) 001 Alternative 1 GPIO 010 Alternative Alternative Alternative Alternative Alternative Alternative 7 27/04/
47 PCR Pull UP/DOWN La resistencia de Pull-Up fuerza a nivel alto el pin, cuando el pulsador está abierto. Cuando está cerrado el PIN se pone a nivel bajo, la intensidad que circula se ve limitada por esta resistencia 27/04/
48 PCR Pull UP/DOWN (pág. 95 de KL46P121M48SF4RM.pdf) 27/04/
49 PCR Pull UP/DOWN Ejemplo de configuración de un pin como GPIO con resistencia de pull-up (SW1) PORTC_PCR3 = PORT_PCR_MUX(1) PORT_PCR_PE_MASK PORT_PCR_PS_MASK; 27/04/
50 Pasos a seguir en la configuración (para Informática Aplicada) Verificar en el pinout a qué puerto (y bit) está conectado el SW o LED a usar Habilitar los respectivos clocks de los ports a utilizar, a través del registro SIM_SCGC5 Use PORTx_PCRn (x es el PORT y n número de pin del PORT) para seleccionar la opción ALT1 (con el campo MUX), además si uso el pin como entrada (SW) debe habilitar y conectar la resistencia de pull-up Si quiere inicializar algún LED apagado use GPIOx_PSOR(x es el PORT) 27/04/
51 Pasos a seguir en la configuración (para Informática Aplicada) Configurar el pin como entrada (SW) o como salida (LED) usando GPIOx_PDDR, donde x es el PORT correspondiente Una vez configurado los pines: si es un pin de entrada (SW), puede leerse el estado con GPIOx_PDIR. Si es un pin de salida (LED) puede controlarse con varios registros: GPIOx_PCOR, GPIOx_PSOR, GPIOx_PTOR (toggle) o con GPIOx_PDOR 27/04/
52 Flujo de una aplicación en un MCU Hay diferentes formas de estructurarlo. En la materia veremos sólo una, en los siguientes cuatrimestres se verán otras The difference between polling and interrupt is whether software asks, or whether the hardware tells it! A diferencia de una aplicación en una PC, en una de un MCU, el flujo no tiene fin, es decir existe un programa que se ejecuta indefinidamente mientras el MCU esté alimentado o no se resetee. Casi siempre ejecutan un único programa (sistemas dedicados). 27/04/
53 Polling o encuesta A veces se lo suele llamar super loop En aplicaciones sencillas es fácil de implementar y funciona bastante bien con tareas simples. Su principal ventaja es la simplicidad. 27/04/
54 Polling o encuesta Sin embargo cuando las aplicaciones son más complejas y demandan mayor capacidad de procesamiento no es adecuado. Se pueden llegar a perder eventos, debido a que el código se ejecuta en un determinado orden y, no en respuesta a un evento. 27/04/
55 Polling o encuesta Otra desventaja: el procesador tiene que ejecutar el polling todo el tiempo, aún sino se requiere procesamiento, reduciendo por tanto la eficiencia energética. Por ejemplo: si el polling se hace sobre un teclado que, como mucho puede producir 10 eventos de entrada por segundo, el mismo debe ser encuestado millones de veces (aún en los CPU más lentos) por el pulsado de teclas. Por tanto el CPU pierde casi todo su tiempo comprobando que no hay ningún evento de entrada y, una vez cada algunos millones de iteraciones encuentra algo útil para hacer 27/04/
56 Polling o encuesta Como verán al escribir programas para el MCU, el procesador gasta un gran número de ciclos de CPU en un lazo que sirve sólo para generar un retardo 27/04/
57 Conviene usar polling cuando El operador es humano No se requiere una temporización precisa El estado es más importante que el cambio Los impulsos duran mucho Hay ruido en la señal Hay cosas para hacer en el main (pero no demasiado) 27/04/
58 Cómo programarán el MCU? El software se ejecuta directamente sobre el hardware (bare metal), sin sistema operativo. El software tiene acceso directo a los recursos del hardware. Existe un término específico para el software de un MCU: firmware, un software que maneja físicamente al hardware, grabado en una memoria de tipo no volátil (ROM, EEPROM, flash,...). Es una combinación de software y hardware. Contiene el bootloader 27/04/
59 Bootloader Pieza de código (en nuestro MCU reside en flash) que se encarga de : Inicializar el hardware de forma básica Gestiona de forma automática (sin ningún hardware adicional) el proceso de grabación en flash del programa que queremos que el MCU ejecute, transferirle el control así como, permitir su actualización Es siempre la primera aplicación que se ejecuta después de un reinicio; decide si la aplicación principal está lista para iniciar su ejecución o no y, si se procede a realizar una actualización. El beneficio de tener un bootloader es principalmente permitir la reprogramación del sistema. 27/04/
60 Bootloader La descarga se hace a través de un puerto serie virtual en un USB (OpenSDA USB) OpenSDA (Open-standard serial and debug adapter), actúa como un puente entre la PC (donde tendremos instalado nuestro IDE) y el MCU; se usa para debug, programación en flash (en nuestro caso a través de CodeWarrior, IDE open source), y comunicación serie a través de un cable USB. 27/04/
61 Bootloader o en /SASE_2014_FREESCALE_Workshop_Microcontroladores_Kinetis.p df 27/04/
62 Cómo programarán el MCU? Usaremos una herramienta de desarrollo de software del MCU (target) que se ejecutará en la PC (host) Cross-compiler: traductor de lenguaje de alto nivel a código ejecutable que se ejecuta en una plataforma pero que genera código de otra plataforma diferente Toolchain: conjunto de herramientas que permiten realizar la compilación cruzada Compilador, linker, librerias, debbuger 27/04/
63 El 1 programa en el MCU Hello World!...??? 27/04/
64 Hello World! void delay(int ms){ int i; for(i=ms*1500;i>0;i--) { // 1000 is about 1 s at Mhz }} 27/04/
65 Referencias Algunas transparencias se extrajeron de: Letct00/GPIOv003.pdf Peripherals of Freescale Kinetis microcontrolers ARM University Program. Gracias! 27/04/
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