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赛灵思ZYNQ官方文档UG585自学翻译笔记：General Purpose I/O (GPIO)通用输入 / 输出

news 2025/8/5 18:58:39

该文档主要围绕 Zynq-7000 AP SoC 的通用目的 I/O（GPIO）展开，内容如下：

1. 概述

GPIO 外设通过 MIO 模块提供对多达 54 个设备引脚的观测和控制，还通过 EMIO 接口提供与可编程逻辑（PL）间的 192 个 GPIO 信号（64 个输入、128 个输出）。
GPIO 按寄存器组分为四个 bank，控制不同范围的 MIO 和 EMIO 信号，由软件通过一系列内存映射寄存器控制。

2. 关键特性

54 个用于设备引脚的 GPIO 信号（通过 MIO 多路复用器路由），输出支持三态。
192 个 PS 与 PL 间的 EMIO GPIO 信号，包括 64 个输入和 128 个输出（64 个真实输出和 64 个输出使能）。
每个 GPIO 可独立动态编程为输入、输出或中断感应模式。
支持可编程中断，可选择电平敏感（高 / 低）或边沿敏感（上升沿、下降沿、双边沿），能读取原始和屏蔽的中断状态。

3. 框图与 bank 划分

Bank0：32 位，控制 MIO 引脚 [31:0]。
Bank1：22 位，控制 MIO 引脚 [53:32]（因 MIO 共 54 个引脚，故 Bank1 限制为 22 位）。
Bank2：32 位，控制 EMIO 信号 [31:0]。
Bank3：32 位，控制 EMIO 信号 [63:32]。

4. 注意事项

7z007s 和 7z010 CLG225 器件的可用 MIO 引脚减至 32 个，仅特定引脚可作为 GPIO，其他 MIO 引脚未连接。
MIO 的 Bank0 和 Bank1 通过 MIO 模块路由到设备引脚，需通过 slcr.MIO_PIN_xx 寄存器选择合适的 I/O 类型、使能 GPIO 模块等，TRI_ENABLE 应设为 0 以让 GPIO 控制三态模式。

5. 功能描述

MIO 引脚的 GPIO 控制：软件配置 GPIO 为输入或输出，DATA_RO 寄存器始终返回 GPIO 引脚状态，DATA 寄存器控制输出值，MASK_DATA_LSW 和 MASK_DATA_MSW 寄存器支持选择性更改输出值，DIRM 控制方向，OEN 控制输出使能。
EMIO 信号：寄存器接口与 MIO 银行相同，但 EMIO 是 PS 与 PL 间的连线，输入与输出值和 OEN 寄存器无关，输出无三态功能，输出使能线由 DIRM 和 OEN 寄存器控制。
Bank0 的 Bits [8:7]：对应控制 I/O 缓冲区电压模式的引脚，不能作为通用输入，可作为通用输出（复位时输出驱动禁用）。
中断功能：中断检测逻辑监控 GPIO 输入信号，触发方式可配置，中断状态存于 INT_STAT，通过 INT_EN 和 INT_DIS 控制中断屏蔽，所有 GPIO 共享 IRQ ID#52 中断。

6. 编程指南

启动序列：包括复位、时钟、GPIO 引脚配置、向输出引脚写数据、从输入引脚读数据、设置 GPIO 引脚为唤醒事件。
GPIO 引脚配置：可将引脚配置为输入或输出，Bank0 的 [8:7] 引脚必须配置为输出。
向输出引脚写数据：可通过 DATA 寄存器（读 - 修改 - 更新）或 MASK_DATA_x_MSW/LSW 寄存器（选择性更新）。
从输入引脚读数据：可使用 DATA_RO_x 寄存器或中断逻辑。
GPIO 作为唤醒事件：需在 GIC 中启用 GPIO 中断，启用特定引脚的 GPIO 中断，且不关闭任何 GPIO 相关时钟。

7. 寄存器概览

数据读写相关：MASK_DATA_{3:0}{MSW,LSW}、DATA{3:0}、DATA_{3:0}_RO。
I/O 缓冲区控制相关：DIRM_{3:0}、OEN_{3:0}。
中断控制相关：INT_MASK_{3:0}、INT_EN_{3:0}、INT_DIS_{3:0}、INT_STAT_{3:0}、INT_TYPE_{3:0}、INT_POLARITY_{3:0}、INT_ANY_{3:0}。

8. 系统功能

时钟：由 APB 接口的 CPU_1x 时钟驱动，可通过 slcr.APER_CLK_CTRL [GPIO_CPU_1XCLKACT] 进行时钟门控实现电源管理。
复位：由 slcr.GPIO_RST_CTRL [GPIO_CPU1X_RST] 位复位，仅影响总线接口。
中断：所有 GPIO 控制器产生的中断路由到 IRQ 52。

9. I/O 接口

MIO 编程：Bank0 和 Bank1 引脚通过 MIO 路由，可通过 slcr.MIO_PIN_XX 寄存器配置为 GPIO，需正确设置相关参数。

第 14 章通用输入 / 输出（GPIO）

14.1 简介

通用输入 / 输出（GPIO）外设通过 MIO 模块为软件提供对多达 54 个设备引脚的观测和控制功能。它还通过 EMIO 接口提供来自可编程逻辑（PL）的 64 个输入和到 PL 的 128 个输出的访问。GPIO 分为四个寄存器组，每组对相关的接口信号进行分组管理1。

每个 GPIO 可独立且动态地编程为输入、输出或中断感应模式。软件可使用单条加载指令读取一个组内的所有 GPIO 值，或使用单条存储指令向一个或多个 GPIO（在 GPIO 的一定范围内）写入数据。GPIO 控制和状态寄存器的内存映射基地址为 0xE000_A0002。

14.1.1 特性

GPIO 外设的主要特性总结如下：

54 个用于设备引脚的 GPIO 信号（通过 MIO 多路复用器路由）
- 输出支持三态
通过 EMIO 接口在 PS 和 PL 之间有 192 个 GPIO 信号
- 64 个输入、128 个输出（64 个真实输出和 64 个输出使能）
每个 GPIO 的功能可单独或成组动态编程
使能、位或组数据写入、输出使能和方向控制
可在单个 GPIO 基础上进行可编程中断
- 可读取原始和屏蔽中断的状态
可选择的灵敏度：电平敏感（高或低）或边沿敏感（上升沿、下降沿或两者皆有）3至4

14.1.2 框图

如图 14-1 所示，GPIO 模块分为四个组：

Bank0：32 位组，控制 MIO 引脚 [31:0]
Bank1：22 位组，控制 MIO 引脚 [53:32]
Bank2：32 位组，控制 EMIO 信号 [31:0]
Bank3：32 位组，控制 EMIO 信号 [63:32]

注：由于 MIO 总共有 54 个引脚，因此 Bank1 限制为 22 位。

GPIO 通过一系列内存映射寄存器由软件控制。每个组的控制方式相同，但由于 MIO 组和 EMIO 组的功能不同，两者之间存在细微差异5至6。

14.1.3 注意事项

7z007s 和 7z010 CLG225 器件
7z007s 单核和 7z010 双核 CLG225 器件将可用的 MIO 引脚减少到 32 个，如 2.5.4 节 “MIO 一览表格” 中的 MIO 表所示。因此，在这些器件中，仅 15:0、39:28、48、49、52 和 53 号 MIO 引脚可作为 GPIO 引脚使用。其他 MIO 引脚未连接，不应使用。所有 EMIO 信号均可使用7至8。

MIO 注意事项
GPIO 外设模块的 Bank0 和 Bank1 通过 MIO 模块路由到设备引脚。有关 MIO 操作的完整描述，请参阅 2.5 节 “PS-PL MIO-EMIO 信号和接口”。MIO 的主要控制通过 slcr.MIO_PIN_xx 寄存器实现。请注意以下几点：

用户必须根据自身系统，使用 IO_Type、PULLUP、DisableRcvr 和 Speed 字段选择合适的 I/O 类型。
用户必须通过多路复用器控制字段 L0_SEL、L1_SEL、L2_SEL 和 L3_SEL 选择 GPIO 模块。请注意，每个 I/O 引脚可单独选择。当 MIO 引脚用于 IOP 设备时，它不能作为 GPIO 使用。
TRI_ENABLE 应设置为 0。这使 GPIO 能够控制 I/O 的三态模式。如果 MIO 中的 TRI_ENABLE 设置为 1，则无论 GPIO 设置如何，输出驱动器都将处于三态9至10。

14.2 功能描述

14.2.1 设备引脚的 GPIO 控制
本节描述 Bank0 和 Bank1 的操作（见图 14-2）11。

软件将 GPIO 配置为输出或输入。无论 GPIO 设置为输入（OE 信号为假）还是输出（OE 信号为真），DATA_RO 寄存器始终返回 GPIO 引脚的状态。要生成输出波形，软件需反复向一个或多个 GPIO 写入数据（通常使用 MASK_DATA 寄存器）12。

应用可能需要同时切换多个 GPIO（两个 I/O 缓冲区之间的固有偏斜时间较小）。在这种情况下，所有需要同时切换的 GPIO 必须来自同一个 16 位半组（即最高有效 16 位或最低有效 16 位）的 GPIO，以便 MASK_DATA 寄存器能在一条存储指令中向它们写入数据13。

GPIO 组控制（针对 Bank0 和 Bank1）总结如下：

DATA_RO：该寄存器使软件能够观测设备引脚上的值。如果 GPIO 信号配置为输出，则该寄存器通常会反映输出上驱动的值。向该寄存器写入数据将被忽略。
注：如果 MIO 未配置为启用该引脚作为 GPIO 引脚，则 DATA_RO 是不可预测的，因为软件无法通过 GPIO 寄存器观测非 GPIO 引脚上的值14至15。
DATA：当 GPIO 信号配置为输出时，该寄存器控制要输出的值。该寄存器的所有 32 位将同时写入。从该寄存器读取将返回之前写入 DATA 或 MASK_DATA_{LSW,MSW} 的值；它不会返回设备引脚上的当前值16。
MASK_DATA_LSW：该寄存器能够更有选择性地更改所需的输出值。最多可写入 16 位的任意组合。未写入的位将保持不变，保留其先前的值。从该寄存器读取将返回之前写入 DATA 或 MASK_DATA_{LSW,MSW} 的值；它不会返回设备引脚上的当前值。该寄存器避免了对未更改的位进行读 - 修改 - 写操作的需求17。
MASK_DATA_MSW：该寄存器与 MASK_DATA_LSW 相同，但它控制组的高 16 位18。
DIRM（方向模式）：这控制 I/O 引脚是作为输入还是输出。由于输入逻辑始终启用，这实际上是启用 / 禁用输出驱动器。当 DIRM [x]==0 时，输出驱动器禁用19。
OEN（输出使能）：当 I/O 配置为输出时，这控制输出是否启用。当输出禁用时，引脚处于三态。当 OEN [x]==0 时，输出驱动器禁用20。
注：如果 MIO TRI_ENABLE 设置为 1，启用三态并禁用驱动器，则 OEN 将被忽略，输出处于三态21。

14.2.2 EMIO 信号
本节描述 Bank2 和 Bank3 的操作（见图 14-2）22。

EMIO 组的寄存器接口与上一节中描述的 MIO 组相同。然而，EMIO 接口只是 PS 和 PL 之间的连线，因此存在一些差异：

输入是来自 PL 的连线，与输出值或 OEN 寄存器无关。当 DIRM 设置为 0（使其成为输入）时，可从 DATA_RO 寄存器读取它们。
输出连线不支持三态，因此它们不受 OEN 的影响。要输出的值使用 DATA、MASK_DATA_LSW 和 MASK_DATA_MSW 寄存器进行编程。DIRM 必须设置为 1（使其成为输出）。
输出使能连线只是来自 PS 的输出。它们由 DIRM/OEN 寄存器控制，如下所示：EMIOGPIOTN [x] = DIRM [x] & OEN [x]
EMIO I/O 与 MIO I/O 没有任何连接。EMIO 输入不能连接到 MIO 输出，MIO 输入也不能连接到 EMIO 输出。每个组都是独立的，只能用作软件可观测 / 控制的信号23至24。

14.2.3 Bank0 的位 [8:7] 为输出
Bank0 的 GPIO 位 [8:7] 对应于在复位期间用于控制 I/O 缓冲区自身电压模式的封装引脚。这些引脚称为 MIO 组的 VMODE 引脚带（参见 “引导模式引脚设置” 部分，第 165 页）。它们必须由外部系统根据适当的电压模式驱动。为防止它们被其他系统逻辑驱动，它们不能用作通用输入25至26。

由于复位时输出驱动器禁用，这些位可用作通用输出。系统在系统引导期间读取电压模式后，可以开始将这些位用作输出27。

14.2.4 中断功能
中断检测逻辑监控 GPIO 输入信号。中断触发可以是上升沿、下降沿、任一沿、低电平或高电平。触发灵敏度通过 INT_TYPE、INT_POLARITY 和 INT_ANY 寄存器进行编程28。

如果检测到中断，中断检测逻辑会将 GPIO 的 INT_STAT 状态设置为真。如果 INT_STAT 状态被启用（未屏蔽），则中断会传播到一个大型 OR 函数。该函数将所有四个组中所有 GPIO 的所有中断组合为一个输出（IRQ ID#52）到中断控制器。如果中断被禁用（屏蔽），则 INT_STAT 状态会保持到被清除，但除非 INT_EN 随后被写入以禁用屏蔽，否则它不会传播到中断控制器。由于所有 GPIO 共享同一个中断，软件必须同时考虑 INT_MASK 和 INT_STAT 来确定哪个 GPIO 引起了中断29。

中断屏蔽状态通过向 INT_EN 和 INT_DIS 寄存器写入 1 来控制。向 INT_EN 寄存器写入 1 会禁用屏蔽，允许活动中断传播到中断控制器。向 INT_DIS 寄存器写入 1 会启用屏蔽。可使用 INT_MASK 寄存器读取中断屏蔽的状态30。

如果 GPIO 中断是边沿敏感的，则检测逻辑会锁存 INT 状态。通过向 INT_STAT 寄存器写入 1 来清除 INT 锁存。对于电平敏感的中断，必须清除到 GPIO 的中断输入源才能清除中断信号。或者，软件可以使用 INT_DIS 寄存器屏蔽该输入31。

可以通过读取 INT_STAT 和 INT_MASK 寄存器来推断发送到中断控制器的中断信号的状态。如果 INT_STAT=1 且 INT_MASK=0，则该中断信号被断言32。

GPIO 组控制总结如下：

INT_MASK：该寄存器为只读，显示当前哪些位被屏蔽以及哪些位未被屏蔽 / 启用。
INT_EN：向该寄存器的任何位写入 1 会启用 / 取消屏蔽该信号的中断。从该寄存器读取将返回不可预测的值。
INT_DIS：向该寄存器的任何位写入 1 会屏蔽该信号的中断。从该寄存器读取将返回不可预测的值。
INT_STAT：该寄存器显示是否发生了中断事件。向该寄存器的某位写入 1 会清除该位的中断状态。向该寄存器的某位写入 0 会被忽略。
INT_TYPE：该寄存器控制中断是边沿敏感还是电平敏感。
INT_POLARITY：该寄存器控制中断是低电平有效还是高电平有效（或下降沿敏感还是上升沿敏感）。
INT_ON_ANY：如果 INT_TYPE 设置为边沿敏感，则该寄存器允许在上升沿和下降沿发生中断事件。如果 INT_TYPE 设置为电平敏感，则该寄存器被忽略33至34。

14.3 编程指南

GPIO 控制器有四个组，MIO 和 EMIO 各两个。每个 GPIO 引脚可以单独编程。如 14.2.1 节 “设备引脚的 GPIO 控制” 中所述，可通过单次写入对多个引脚进行编程35至36。

14.3.1 启动序列
主要示例：启动序列

复位：复位选项在 14.4.2 节 “复位” 中描述。
时钟：时钟在 14.4.1 节 “时钟” 中描述。
GPIO 引脚配置：将引脚配置为输入 / 输出在 14.3.2 节 “GPIO 引脚配置” 中描述。
向 GPIO 输出引脚写入数据：参见 14.3.3 节 “向 GPIO 输出引脚写入数据” 中的示例。
从 GPIO 输入引脚读取数据：参见 14.3.4 节 “从 GPIO 输入引脚读取数据” 中的示例。
将 GPIO 引脚设置为唤醒事件：参见 “GPIO 作为唤醒事件” 部分中的示例37至38。

14.3.2 GPIO 引脚配置
每个单独的 GPIO 引脚可配置为输入 / 输出。但是，bank0 的 [8:7] 引脚必须配置为输出。有关更多详细信息，请参阅 14.2.3 节 “Bank0 的位 [8:7] 为输出”39至40。

示例：将 MIO 引脚 10 配置为输出

将方向设置为输出：向 gpio.DIRM_0 寄存器写入 0x0000_0400。
设置输出使能：向 gpio.OEN_0 寄存器写入 0x0000_0400。

注：输出使能仅在 GPIO 引脚配置为输出时才有意义41至42。

示例：将 MIO 引脚 10 配置为输入

将方向设置为输入：向 gpio.DIRM_0 寄存器写入 0x0。这将 gpio.DIRM_0 [10] 设置为 043至44。

14.3.3 向 GPIO 输出引脚写入数据
对于配置为输出的 GPIO 引脚，有两种方法可对所需值进行编程45至46。

选项 1：使用 gpio.DATA_0 寄存器读取、修改和更新 GPIO 引脚。

示例：使用 DATA_0 寄存器设置 GPIO 输出引脚 10。

读取 gpio.DATA_0 寄存器：将 gpio.DATA_0 寄存器读取到 reg_val 变量。
修改值：设置 reg_val [10]=1。
向输出引脚写入更新后的值：将 reg_val 写入 gpio.DATA_0 寄存器47至48。

选项 2：使用 MASK_DATA_x_MSW/LSW 寄存器更新一个或多个 GPIO 引脚。

示例：使用 MASK_DATA_0_MSW 寄存器将输出引脚 20、25 和 30 设置为 1。

生成引脚 20、25 和 30 的掩码值：要驱动引脚 20、25 和 30，0xBDEF 是 gpio.MASK_DATA_0_MSW [MASK_0_MSW] 的掩码值。
生成引脚 20、25、30 的数据值：要在引脚 20、25 和 30 上驱动 1，0x4210 是 gpio.MASK_DATA_0_MSW [DATA_0_MSW] 的数据值。
向 MASK_DATA_x_MSW 寄存器写入掩码和数据：向 gpio.MASK_DATA_0_MSW 寄存器写入 0xBDEF_421049至50。

14.3.4 从 GPIO 输入引脚读取数据
对于配置为输入的 GPIO 引脚，有两种方法可监控输入51至52。

选项 1：使用每个组的 gpio.DATA_RO_x 寄存器。

示例：使用 DATA_RO_0 寄存器读取 bank 0 中所有 GPIO 输入引脚的状态。

读取输入 Bank 0：读取 gpio.DATA_0 寄存器53至54。

选项 2：在输入引脚上使用中断逻辑（参见 14.2.4 节 “中断功能”）。

示例：将 MIO 引脚 12 配置为上升沿触发。

将触发设置为上升沿：向 gpio.INT_TYPE_0 [12] 写入 1。向 gpio.INT_POLARITY_0 [12] 写入 1。向 gpio.INT_ANY_0 [12] 写入 0。
启用中断：向 gpio.INT_EN_0 [12] 写入 1。
输入引脚的状态：gpio.INT_STAT_0 [12] =1 表示发生了中断事件。
禁用中断：向 gpio.INT_DIS_0 [12] 写入 155至56。

14.3.5 GPIO 作为唤醒事件
GPIO 可配置为唤醒设备。

重要提示：必须正确设置 GIC。