深入了解Raspberry Pi RP2040可编程IO

由RP2040微控制器提供支持的Raspberry Pico电路板的普及使每个读者都想了解有关该电路板和芯片的更多信息。因此，今天我们将讨论RP2040的可编程IO，该功能使其不同于大多数其他微控制器板。

RP2040中的两个PIO块或我们称之为硬件接口的每个都有四个状态机。这两个PIO模块可以同时执行程序来操纵GPIO和传输原始数据。现在，这些状态机做什么？好吧，PIO状态机执行从各种来源获取的程序。有时，这些程序来自PIO库（UART，SPI或I2C）或用户软件。

通常，所有板卡都对数字通信协议（例如I2C，SPI和UART）提供硬件支持。但是，如果计划使用的这些接口多于板上可用的接口，则可以使用RP2040微控制器中提供的可编程IO。

嗯，它具有的功能超出人们的想象。假设您现在想通过可编程I / O来输出DPI视频或“与AliExpress上的串行设备通信”。顾名思义，“可编程” IO使其可以直接编程以支持多种接口，包括SD卡接口，VGA输出和更高速度的数据传输。不挂断！我们在文章中最激动人心的部分是“如何对这些可编程I / O进行编程以使您的工作变得轻松”。

Pico SDK（软件开发工具包）提供了必要的头文件，库和构建系统，这些文件为使用C，C ++或Arm汇编语言为基于RP2040的设备（例如Raspberry Pi Pico）编写程序编写程序所必需。

如果您打算使用Python进行编码，则只需在开发板上安装合适的编辑器（例如Thonny）和MicroPython。但是对于C / C ++，您需要使用CMake文件，该文件可以告诉Pico SDK如何将C文件转换为基于RP2040的微控制器板的二进制应用程序，如我们最近针对Raspberry Pi Pico的MicroPython和C教程所述。

PIO汇编器解析一个PIO源文件并输出准备好包含在RP2040应用程序中的汇编版本。这包括针对Pico SDK构建的C和C ++应用程序，以及在RP2040 MicroPython端口上运行的Python程序。

要开始为您的PIO应用程序编程状态机，基于C / C ++的程序包含三个组件。

一个CMake文件，描述了如何将二者组合成程序映像以加载到基于RP2040的开发板上。

现在，在对这些IO接口进行编程时，有9条汇编指令“ JMP，WAIT，IN，OUT，PUSH，PULL，MOV，IRQ和SET”。尽管大多数人可能对使用C / C ++或Python语言对PIO接口进行编程感兴趣，但让我们研究一下用于IO接口的一些汇编语言指令。

JMP：此“跳转”指令可以是条件语句，也可以是非条件语句。在这种情况下，它通过更改指令指针寄存器来传输执行流程。简而言之，使用“ jmp”语句，执行流程进入代码的另一部分。

等待：该指令使代码的执行停止。除非被暂停（使用WAIT指令），否则每条指令需要一个周期。

OUT：该指令将数据从输出移位寄存器一次移至其他目的地，每次1…32位。

为了简化操作，我们将研究hello_world程序，该程序使用可编程IO和TX FIFO的32位数据（PULL指令）使板载LED闪烁。

#include＆＃34; pico / stdlib.h＆＃34; #include＆＃34; hardware / pio.h＆＃34; //我们的汇编程序：#include＆＃34; hello.pio.h＆＃34; int main （）{//选择要使用的PIO实例（有两个实例）PIO pio = pio0; //我们的汇编程序需要加载到此PIO指令存储器中。此SDK函数将在//指令存储器中找到一个位置（偏移），在该位置有足够的空间供我们的程序使用。我们需要//记住这个位置！ uint偏移量= pio_add_program（pio，＆amp; hello_program）; //在我们选择的PIO上找到一个空闲状态机（如果没有//则出错）。配置它以运行我们的程序，并使用我们包含在.pio文件中的// helper函数启动它。 uint sm = pio_claim_unused_sm（pio，true）; hello_program_init（pio，sm，偏移量，PICO_DEFAULT_LED_PIN）; //状态机正在运行。我们推送到其TX FIFO的任何值都将//出现在LED引脚上。 while（true）{//闪烁pio_sm_put_blocking（pio，sm，1）; sleep_ms（500）; //布隆克pio_sm_put_blocking（pio，sm，0）; sleep_ms（500）; }}

//状态机正在运行。我们推送到其TX FIFO的任何值都会

上面的C / C ++代码以1秒钟的完整周期闪烁LED。对LED进行编程的方式是：先点亮500毫秒，然后熄灭500毫秒。但是，在状态机可以运行程序之前，我们需要将程序加载到该指令存储器中。 “函数pio_add_program（）在给定的PIO指令存储器中查找程序的可用空间，并将其加载。”这样，我们将状态机配置为将其数据输出到板载LED。

如下所示的.pio文件的汇编代码具有所有C助手功能来设置C / C ++代码。

.program helloloop：拉出引脚，1个jmp循环％c-sdk {静态内联void hello_program_init（PIO pio，uint sm，uint offset，uint pin）{pio_sm_config c = hello_program_get_default_config（offset）; //将状态机的OUT引脚组映射到一个引脚，即此函数的“ pin”参数。 sm_config_set_out_pins（＆amp; c，pin，1）; //设置此引脚的GPIO功能（将PIO连接到焊盘）pio_gpio_init（pio，pin）; //将引脚方向设置为在PIO上输出pio_sm_set_consecutive_pindirs（pio，sm，pin，1，true）; //加载我们的配置，然后跳转到程序的开头pio_sm_init（pio，sm，offset，＆amp; c）; //设置运行pio_sm_set_enabled（pio，sm，true）;}％}的状态机

除此之外，您还需要CMake文件，该文件描述如何将.pio和.c文件构建到适合加载到Raspberry Pi Pico开发板上的二进制文件中。

没有使用MicroPython编写的等效示例，但是我们可以看到一个更简单的PIO MicroPython代码，用于使板载LED闪烁：

从rp2导入时间，从PIO导入PIO，从机器导入，asm_pio导入Pin＃定义闪烁程序。它有一个GPIO绑定到set指令上，该指令是一个输出引脚。＃使用大量延迟以使眨眼可见。@ asm_pio（set_init = rp2.PIO.OUT_LOW）def blink（）：wrap_target（） set（pins，1）[31] nop（）[31] nop（）[31] nop（）[31] nop（）[31] set（pins，0）[31] nop（）[31] nop（ ）[31] nop（）[31] nop（）[31] wrap（）＃使用闪烁程序以1000Hz实例化状态机，并将其绑定到Pin（25）（rp2板上的LED）（sm = rp2） .StateMachine（0，闪烁，freq = 1000，set_base = Pin（25））＃运行状态机3秒钟。 LED应该闪烁.sm.active（1）时间.sleep（3）sm.active（0）

＃定义闪烁程序。它在set指令上有一个绑定到的GPIO，它是一个输出引脚。

＃使用闪烁程序以1000Hz实例化状态机，并将其绑定到Pin（25）（rp2板上的LED）

在这种情况下，没有单独的.pio文件，并且MicroPython和汇编代码都放置在.py文件中。

请注意，即使可以使用MicroPython对PIO进行编程，但Python SDK文档指出该PIO当前不稳定/正在进行中，因此建议使用C / C ++。

通过在RGB十六进制格式的帮助下添加要显示的颜色，可以对代码进行许多修改。但是，有许多现实生活中的示例，例如PWM，UART甚至是NeoPixels接口。对于那些感兴趣的人，您可以在GitHub存储库中的C和MicroPython示例中找到许多PIO编程示例。

RP2040可编程IO具有同时执行程序以支持VGA输出和高速数据传输等接口的能力。您可以查看C / C ++和Python的SDK文档中的第3章，以了解有关RP2040可编程IO的更多信息。

Abhishek Jadhav是一名工程专业的学生，RISC-V大使，自由技术作家，开放硬件开发人员社区的负责人。