大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是i.MXRT上的普通GPIO与高速GPIO差异。
GPIO 可以说是 MCU 上最简单最常用的外设模块了，当一些原生功能外设接口模块不能满足项目设计要求时，我们常常会考虑使用 GPIO 来软件模拟实现相应功能，这时候 GPIO 本身性能就显得至关重要了。
在早期的 i.MXRT1015/1020/1024/1050 型号上，GPIO 都是普通性能（注意这里的普通其实相比一般低端 MCU 来说已经够性能优越了），考虑到 i.MXRT 是性能怪兽，需要配置更强的 GPIO，因此在后续的 i.MXRT1010/1060/1064/1160/1170 型号上，出现了 HSGPIO，今天痞子衡就跟大家聊一聊 GPIO 和 HSGPIO差异：
一、HSGPIO是什么？
HSGPIO 是 High-Speed GPIO 缩写，有时候也叫紧耦合 GPIO 或者单时钟周期 GPIO，简单说就是其模块（IP）时钟源速度高于普通 GPIO 时钟源，因此我们可以以更高频率访问其模块寄存器。下表列出了 i.MXRT 各型号上 HSGPIO 分布：
| 型号 | 普通GPIO | 高速GPIO |
|---|---|---|
| i.MXRT1010 | GPIO1、GPIO5 | GPIO2 |
| i.MXRT1060/1064 | GPIO1 - GPIO5 | GPIO6 - GPIO9 |
| i.MXRT1160/1170 | GPIO1 - GPIO13 | CM7_GPIO2、CM7_GPIO3 |
我们以 i.MXRT1060 为例，翻看其参考手册 CCM 时钟模块章节，可以看到普通 GPIO1-5 的时钟源是 IPG_CLK_ROOT、而高速 GPIO6-9 的时钟源则是 AHB_CLK_ROOT：
在 i.MXRT1060 上 IPG_CLK_ROOT 最高频率是 150MHz、而 AHB_CLK_ROOT 即内核频率，可到 600MHz，所以单从时钟源角度来看，HSGPIO 访问性能应是 GPIO 的 "四倍"（这里打了个引号，实际芯片设计时，HSGPIO 总线访问有延迟，做不到跟 AHB 总线同频）：
下图是 i.MXRT1060 内核结构框图，可以看到其实 HSGPIO 与 AHBP 总线之间经过了 Split 和 AIPS-Lite 两级处理，所以 HSGPIO 最终访问频率并不等于 AHBP 总线频率，只是时钟源来自于 AHBP 总线。
- Note1: i.MXRT1170 内核结构里 HSGPIO 也是一样会经过 Split 和 AIPS-Lite 两级处理。
- Note2: i.MXRT1010 内核结构里 HSGPIO 做过了优化，仅 Split 一级处理。
二、共享 PAD 设计
从芯片内部来说，GPIO 与 HSGPIO 模块是独立的，但是因为芯片外部引脚（PAD）资源有限，因此部分 HSGPIO 是与 GPIO 模块共享 PAD 的，最终 I/O 实际性能其实受限于同一个物理 PAD 特性。
我们以封装最简单的 i.MXRT1010 为例，下图最左侧列出了全部的 PAD，其中 GPIO_SD[13:0] 是 HSGPIO 专用引脚，而 GPIO[13:0]、GPIO_AD[14:0] 则是 GPIO 与 HSGPIO 复用引脚，当这些 GPIO/HSGPIO 复用引脚被配置为 GPIO 功能时，它们既可以映射到 GPIO1（普通GPIO），也可以映射到 GPIO2（HSGPIO）：
- Note：如果已经将 GPIO_SD[13:0] 配置为了 GPIO2，则不要再将 GPIO[13:0] 配置为 HSGPIO，会发生冲突。
具体 GPIO 映射功能是由 IOMUXC_GPR26 寄存器来控制的（注意这是个软复位不置位的寄存器）。比如当 GPIO_11 被配置为了 GPIOMUX_IO11 功能时，那么 IOMUXC_GPR26[11] 决定了其映射关系：
IOMUXC_GPR26[11] = 0，则 GPIO_11 对应 GPIO1[11]，为普通 GPIO
IOMUXC_GPR26[11] = 1，则 GPIO_11 对应 GPIO2[11]，为 HSGPIO
下表列出了 i.MXRT 各型号上 GPIO/HSGPIO 切换控制关系：
| 型号 | PAD切换控制寄存器 | ALT功能名 | 对应切换GPIO |
|---|---|---|---|
| i.MXRT1010 | IOMUXC_GPR->GPR26 | GPIO_MUX | GPIO1与GPIO2 |
| i.MXRT1060/1064 | IOMUXC_GPR->GPR26 IOMUXC_GPR->GPR27 IOMUXC_GPR->GPR28 IOMUXC_GPR->GPR29 |
GPIO_MUX1 GPIO_MUX2 GPIO_MUX3 GPIO_MUX4 |
GPIO1与GPIO6 GPIO2与GPIO7 GPIO3与GPIO8 GPIO4与GPIO9 |
| i.MXRT1160/1170 | IOMUXC_GPR->GPR40、41 IOMUXC_GPR->GPR42、43 |
GPIO_MUX2 GPIO_MUX3 |
GPIO2与CM7_GPIO2 GPIO3与CM7_GPIO3 |
三、PAD 运行速度
前面讲了，不管是使能了普通 GPIO 还是 HSGPIO，最终都是由同一个物理 PAD 来输出信号，因此 I/O 实际性能最终受限于这个 PAD 最大运行速度。
继续以 i.MXRT1010 为例，每个 PAD 在 IOMUXC 模块里都有一个专门配置电气属性的寄存器 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_xxIO，选取 GPIO_11 的相应配置寄存器为例，组合其中 SRE、DSE、SPEED 位可以得到不同运行速度（具体组合值可在参考手册 GPIO 章节搜索 Operating Frequency 小节查看），不过我们能看到 PAD 最大运行速度是 200MHz：
在 i.MXRT1010 数据手册里，我们还可以看到更具体的 I/O 翻转时间测试：
四、HSGPIO 示例代码
基于上面的理论知识，我们改造一下 i.MXRT1010 SDK 里的 \driver_examples\gpio\led_output 例程，加入如下 HSGPIO 相关代码，同样可以达到闪烁 LED 灯的功能。
介绍了这么多，如果只是用 HSGPIO 控制小灯闪烁，似乎看不出性能差异，下一篇文章，痞子衡将用示波器为大家实测 GPIO 与 HSGPIO 极限翻转频率，再提前剧透一下，GPIO->DR_TOGGLE 和 GPIO->DR 寄存器实现 I/O 翻转效率还不一样哦。
bool is_normal_gpio = false;
int main(void)
{
BOARD_ConfigMPU();
BOARD_InitBootClocks();
/* Define the init structure for the output LED pin*/
gpio_pin_config_t led_config = {kGPIO_DigitalOutput, 0, kGPIO_NoIntmode};
CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Iomuxc);
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0U);
if (is_normal_gpio)
{
// GPIO1
IOMUXC_GPR->GPR26 &= ~(1u << 11);
// Slow Slew Rate, 100MHz
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0x70A0U);
GPIO_PinInit(GPIO1, 11, &led_config);
}
else
{
// GPIO2
IOMUXC_GPR->GPR26 |= (1u << 11);
// Fast Slew Rate, 200MHz
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0x70F9U);
GPIO_PinInit(GPIO2, 11, &led_config);
}
while (1)
{
SDK_DelayAtLeastUs(100000, SDK_DEVICE_MAXIMUM_CPU_CLOCK_FREQUENCY);
if (is_normal_gpio)
{
//GPIO1->DR_TOGGLE = (1u << 11);
GPIO1->DR ^= (1u << 11);
__DSB();
}
else
{
//GPIO2->DR_TOGGLE = (1u << 11);
GPIO2->DR ^= (1u << 11);
__DSB();
}
}
}
至此，i.MXRT上的普通GPIO与高速GPIO差异痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~
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