讲座视频 - GPIO 编程

大家好，我是 Jon Valvano。 在本视频中，我们将讨论 通用输入输出接口的编程。 我们在前一个视频中看到了“连接”的概念。 换句话说，如果我在这里有一个系统， 然后我将它连接到那里的另一个系统， 那么当一个数字逻辑连接到另一个 数字逻辑时，我必须关心电压和电流。 那么，在前一个视频中，我们 讨论了该硬件互连， 硬件接口。 那么，在该模块中， 我们将讨论它的软件方面。 我如何编写这些系统上存在的软件， 以便我可以执行输入输出？ 与该模块关联的 实验中的最终目标是光传感器。 在光传感器接口中，您将 看到硬件和软件。 换句话说，我们将看到与 8 个传感器 关联的电压和电流。 然后，这将为我提供 1 和 0 输入， 具体取决于它是否看到了线。 然后，第二点将是中心集成， 其中您获取这 8 个数字数 并将其合并到单个数字中， 该数字可告诉您相对于线的位置。 希望您喜欢本次实验。 该实验应该很有趣。 那么，让我们来讨论软件是怎样工作的。 对于通用输入/输出，您有两种可能的选择， 即输入和输出。 这不是很复杂。 输入意味着来自世界的 信号将进入微控制器。 我们在前一个视频中看到，如果我有一个 输入引脚并且该引脚上的电压小于 VIL，那么 该电路会将其视为低电平。 它是输入。 如果该电压大于 VIH，嗯， 那么该电路会将其视为高电平。 因此，当我们在软件中看到它时， 它将在该寄存器中为 0，或者在该寄存器中 为 1。 为了将引脚设置为输入， 我们要将其方向寄存器设置为 0。 当我们将方向寄存器设置为 0 时，它将 断开所有关联的输出物理硬件，从而 使该引脚成为输入，因为它不是输出， 它是输入。 因此，当我想进行输入时，我要将 寄存器，一个称为端口 1 的 内存映射 I/O位置中的数据 读取到该输入寄存器中，因为您应该记得，I/O 设备 划分到多个引脚中，然后 大约 8 个引脚组合在一起，形成一个端口。 当我说 P1 时，我指的是端口 1。 在这里，当我看到 P1.1 时，我将讨论的是端口 1 的 引脚 1。 初始化该端口需要执行两个步骤。 换句话说，让我们使它成为一个 GPIO。 我们通过向选定的寄存器进行写入来实现它。 我们实际上向其写入 0。 我们所做的第二件事是，我们对方向寄存器进行写入 -- 0 意味着输入。 那么，正如我说过的，像大多数端口一样， 端口 1 的宽度为 8 位。 因此您可以将该寄存器，P1 视为输入， 它具有 8 位的宽度。 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0. 我感兴趣的特定位是位 1。 但还有一个选择寄存器。 选择寄存器、选择 1 寄存器和 方向寄存器有一个 P1。 因此每项操作有 4 个寄存器。 此外，还会有另一个 8 位寄存器。 具体而言，为了将 P1 设置为输入， 我需要在两个选择寄存器的位 1 位置中 设置 0，并且我需要在方向寄存器， DIR 寄存器的位1 位置中设置 0。 我将使用该 C代码来实现它。 我将 -- 该 C 代码的作用是访问这 3 个 寄存器的位1 并清除位 1。 现在，您会注意到一件奇怪的事情 -- 我是通过一种非常有趣的方式来实现它的。 再说一次，它是读取-修改-写入。 那么，让我们来看看这里的 方向寄存器。 该方向寄存器中将具有 7 个位 -- 具有 8 个位。 1, 2, 3, 4, 5. 再说一次，我最感兴趣的是这个位，位 1。 7，6，等等等，2，1，0。 因此，我要做的是，我将为其添加一个 用于清除位1 的掩码， 它是 1111，1101。 当我向它添加该 FD 后，这将 导致位 1 变为 0。 这正是我需要的结果。 但是，请注意它对其他 7 个位的影响。 它完全没有更改这些位。 因此，如果我的实验伙伴要使用位 7， 我未更改他或她的方向寄存器。 我没有动它。 那么，每当您在编写 I/O 代码时仅更改您必须更改的位， 而不更改不属于您 或您不必更改的位， 我们就将该类编程定义为友好的。 这样您就可以对某个寄存器中的 几个位进行操作，而您的实验伙伴对其他位进行操作， 然后你们的两个软件可以合并在一起， 并且不会以不利的方式相互影响。 那么，我们将反复不断地看到该情况。 那么，使用输入引脚的第一步是对其进行初始化。 那么，这里的代码恰好在开头执行一次。 这会将端口 1 位1 建立为输入引脚。 但是，然后我希望实际上反复不断地执行输入。 我们将看到，由于该寄存器中有 8 个位， 每个引脚 1 个，7、6、5、4、3、2、1、0 -- 再说一次， 我只对位 1 感兴趣 -- 读取寄存器中特定的一组 引脚的过程包含两个步骤。 我将首先读取全部 8 个位， 然后我将屏蔽 -- 2、3、4、5、6、7 -- 或者对其执行与运算，从而使结果 仅是位 1 的函数。 您可以在这里明显地看到该情况。 那么，第一步是读取全部 8 个位。 那么，我将获得该值，然后我将对它执行与运算， 然后我将在这里获得一个数字， 它将是 0000 --如果引脚 处于低电平，那么我将获得该值， 或者如果引脚处于高电平，那么我将获得该数字。 换句话说，我将获得 0 或 2， 具体取决于端口1 位 1 的状态。 现在，您可以通过包含两个步骤的过程来显式实现它， 即读取和与运算。 再说一次，这将返回 0 或 1。 或者，如果您愿意，可以将这合并到 一行 C 代码中，其中它首先将 该值临时读取到一个 寄存器中，然后执行掩码运算， 即选择，以获取 我感兴趣的位，然后返回该 0 或 2。 现在，如果您的编译器功能良好， 那么这部分 C 代码和那部分 C 代码 实际上将生成完全相同的机器码，因此 使用一种方法或另一种方法 没有任何速度优势。 因此，您可以选择这两种 方法中您感觉最易于了解实际 发生的情况的一种。 那么，这是输入。 那么，再说一次，输入会将数据引入到处理器中。 现在，要进行输出，我必须做相同的两类事情。 我要将同一程序恰好执行一次， 这会将引脚建立为输出， 然后，我将反复不断地根据需要 进行输出。 那么，我要执行的示例是，我有 P1，即端口 1， 现在位 0 将是我的微控制器的一个输出。 因此，我需要能够将其设置为高电平或低电平。 再说一次，我们曾在前面的一个 讲座中看到，如果这需要是高电平， 那么这里的电压将大于 VOH。 因此，如果数字 1出现在这里，即 布尔高电平，那么该电压将上升到接近 3.3 伏。 如果您需要使其成为低电平，那么 这里的软件将使其成为低电平， 但硬件将在该点建立电压，小于 VOL。 然后，再说一次，只要该输入或输出设备上的 电流小于 6 毫安，那么一切就没有问题。 您应该记得有这个选择寄存器， 0 意味着常规。 那么，再说一次，我们将使该引脚成为常规引脚。 这恰好要清除位 0。 我们在前一张幻灯片中看到，输入引脚方向寄存器为 0 意味着输入。 但我们需要输出，因此我们将设置该位。 那么，再说一次，这是对方向寄存器 进行读取-修改-写入，这将设置位 0，从而 导致端口 1位 0 成为输出。 这全部三项操作都访问一个 8 位寄存器，但仅 修改位 0。 换句话说，它们仅修改 需要修改的位，而不更改其他 7 个位，它们不是这里的规范的一部分。 我们要将这称为友好的。 然后，您可以在这里看到 初始化，几张幻灯片之前的 初始化可以在完全不相互影响的情况下 分别进行。 那么，这个将访问位 0。 另一个访问位 1。 任何一个都不会破坏另一个人的初始化。 那么，这是初始化。 再说一次，我们恰好可以将其执行一次。 我们要做的下一件事实际上是进行输出。 正如我说过的，您将进行写入，如果您对端口 1 进行写入， 位-- 哦，就像那里的那个。 如果您对端口 1进行写入，对于 作为输出的引脚，这将设置或清除位。 现在，它恰好是输入引脚，因此不会执行任何操作。 但对于输出引脚，它将变为高电平或低电平。 但我们希望通过友好的方式加以 实现，因为在本例中， 我们只能访问或需要修改 端口 1 位 0。 那么，我们将通过一个包含四个步骤的过程来实现它。 我们将首先读取全部 8 个位。 换句话说，我将读取 我的实验伙伴在他或她的寄存器中剩余的位。 我将屏蔽我将最终更改的位。 我将设置或清除我想更改的位。 在本例中只有 1 个位。 然后我要写回整个内容，从而 再次修改整个 8 位端口，但再说一次， 仅更改我拥有的位 --在本例中，仅更改位 0。 因此，我们将在这里看到该步骤。 那么，在这里，我要将全部8 个位读到一个局部变量中。 我将屏蔽、清除我要最终更改的位， 然后我要将原来的位， 即我的实验伙伴留下的其他 7 个 位与我希望修改的这个新位 -- 它来自 我的函数 -- 进行合并，从而使这里的运算 现在包含我希望更改的 1 个位和 我不希望更改的其他 7 个位。 因此，当我再次将它写回时， 我将仅更改这 1 个位。 现在，我要提醒您，这里的代码行不会 更改输出。 您可以看到，old是一个局部变量。 那么，当我清除和设置某个变量中的位时， 不会对外部世界产生任何影响。 仅当我将该合并的内容写回到端口 1 时， 才会输出实际的位变为高电平或低电平的寄存器， 正如我所指定的。 再说一次，该包含四个步骤的序列是一种用于实现友好 代码的方法。 现在，您可以通过该方法显式写出 这四个步骤，您也可以通过 1 行 C 代码来写出它们，其中它在这里读取值，它清除 我将最终更改的位， 我更改我想更改的位，然后我将其写回。 那么，事实上，这里显式提供了全部四个步骤， 但它在我的 C 代码行中。 再说一次，如果您的编译器功能良好， 这个函数和那个函数将生成完全 相同的机器码。 换话句话说，它们将以相同的速率 和相同的速度执行。 那么，我们选择对您更有意义的一个。 再说一次，对于某个输出引脚，我们对其进行初始化， 然后每当我想更改它时，我会 执行这个函数，这将设置 LED。 或者，我会执行这个函数，这会 清除 LED。 那么，再说一次，我可以在更高的 级别打开和关闭与端口1 位 0 相关联的 LED。 让我们来执行一个示例。 这个恰好是负逻辑，因为 这里有一个灯泡。 那么，这是一个常规120 伏交流灯泡。 那么，这是电源线。 这是灯泡。 那么，我有某种电器 设备，我要使用我的微控制器来控制它。 我将使用一种称为固态继电器的设备， 它在输入端用作一个可选接口。 那么，它的工作方式是，如果这是 高电平，您知道，如果是3.2 伏，那么所发生的是， 该 LED 现在是暗的，该开关断开，您将 在它周围放置一个框，然后 这里的电器将关闭，因为没有电流，因为 开关是断开的。 但是，如果我发送一个低电平，0.1 伏 -- 我将在这里放一个圆圈 -- 那么光线将进入这里的 LED。 这将使开关闭合，因此现在电流将流动， 该电器将打开。 电灯打开，电机旋转， 无论我们要做什么，在这一点上， 该微控制器都可以影响它的世界。 这称为固态继电器。 它没有那么复杂。 但是，如果您看看与它相关联的软件， 它看起来就像另一个 LED。 在本例中，我恰好使用了 20 毫安 输出引脚之一。 MSP432 上有 4 个可以生成 20 毫安的引脚。 我将通过友好的方式清除该位， 以便它成为一个常规位，而不是交替位。 我将使它成为一个输出。 很显然，它是输出。 信息将沿着这个方向传递。 它是一个输出引脚。 但我可以添加另一个步骤，将该引脚的驱动 强度设置为高，以便该端口现在可以拉取 或同步高达 20 毫安的电流。 那么，这几乎可以驱动我要连接的 任何固态继电器。 那么，当我想打开灯泡时 -- 再说一次，要友好一些 -- 我将使用读取-修改-写入来清除位 3，因为它现在是 负逻辑，您还记得吧？ 0 使其变为低电平，但灯泡会亮起。 这就是我将其称为负逻辑的原因。 然后，如果我想将灯关闭，那么 我就将端口引脚设置为 1，从而使电压变为高电平， LED 将熄灭，电器将关闭。 那么，再说一次，该软件具有两个组件。 您应该注意到抽象。 我们已经完全抽象出了我们实际上绑定到端口 2 位 3 的性质。 我们已经抽象出了这样一个事实，即它是负逻辑 并且它的驱动强度为 20 毫安。 那么，从另一个观点而言，我们 具有一个简单的功能，如打开灯 或关闭灯。 它就是这么简单。 这是您可以在实验室中实现的功能。 当您开始进行实验时，您将看到它的细节。 但您将具有输入和输出。 那么，所有这些电阻器和电容器 都内置到实际传感器中。 那么，除了将 3.3，将该引脚通过导线连接到那里， 将那个引脚连接到那里，以及将这个引脚连接到 那里，这些有 8 个。 那么 8，9，10，11 --我们现在有 11 个 引脚，我们要连接它们，从而使该线传感器正常工作。 我向已经您展示了这些传感器之一。 但我现在想讨论的是 GPIO。 关于 GPIO，您知道些什么？ 引脚可以是输入或输出。 那么我们要使端口5 位 3 成为输出。 您知道如何实现它 --方向寄存器，选择 寄存器等，清除选择寄存器， 将方向寄存器设置为高电平。 您将使端口 7 位0 成为高电平。 我们再次将其方向寄存器， 将其选择寄存器设置为 0，然后向 数据寄存器或输出寄存器输出 1。 我们将等待10 微秒 -- 它是一段很短的时间 -- 以 48 兆赫兹的频率运行它 -- 这是 480 个总线周期，因此它是一段很短的时间。 然后我们将做一件奇怪的事情。 这个用作输出的引脚 现在将成为输入。 这些有 8 个，抱歉 -- 这些有 8 个，这些有 1 个。 那么，这是 P7.7，P7.6。 这些有一组。 那么，这些有 8 个，这些有 1 个。 是的，有 1 个灯，8 个传感器。 是的，好了。 我们将切换该引脚，使其成为一个输入。 这个引脚，正如您看到的，将保持 10 微秒。 该引脚是一个输出，就在这里。 该引脚是一个输出。 然后，我们将做的是，将其切换回输入。 请注意，这不是按比例绘制的，因为这里的距离 是 10 微秒，而那个距离是 1 毫秒。 因此它不是按比例绘制的。 我们将等待 1 毫秒。 请注意，这是很多总线周期。 这是 48,000 个总线周期。 然后，我们将读取该引脚。 根据您在该传感器下方看到的是白色 还是黑色 -- 如果您看到白色，它会更快地放电。 然后，当我读取时，我将获得 0， 相反，如果我具有黑色，那么当我读取它时， 我将看到 1。 因此，如果我在 1 毫秒时读取它，那么这将返回 0， 而那将返回 1。 那么，通过这种方法，您将能够 在您的机器人的底部询问您的 机器人是否位于线上。 为了节能，在该 1 毫秒之后，在我读取它之后，我们 要将该引脚设置为低电平。 这将关闭该灯，从而可以节能。 因此，我们将仅驱动该 LED 1 毫秒。 事实上，如果我每 10 毫秒驱动 该传感器一次，那么我们要将它关闭 9 毫秒， 然后我们将重新执行该操作，反复不但地执行。 因此，我们在这里进行该实验的目的 -- 很显然， 您将使用线传感器 使机器人感应线，但正是通过该传感器， 您可以实际看到输入引脚、输出引脚、 等待时间。 那么，这是一个您需要连接的很有趣的传感器。 具体而言，您可以通过它 了解 VIH 的概念，VIH 是一个电压，当高于该电压时，它可在 VIL 中 感应到高电平，VIL 也是一个电压，当低于该电压时， 会将该引脚感应为低电平。 对于该传感器，您必须了解 该特性。 总之，我们将实现 GPIO。 事实上，它们无处不在。 在本节课中，我们将在各种情形下 看到 GPIO。 本实验将使用线传感器，但 我们的碰撞传感器将是 GPIO。 一个输出引脚将设置我们的电机方向 -- 我们 是要前进还是后退？ 如果您在实验 11 中实现液晶显示器， 您将看到会采用 GPIO。 您的转速计输入引脚将是 GPIO。 如果我们有一个超声波传感器，它将具有 GPIO。 蓝牙引脚具有 GPIO。 Wi-Fi 模块具有 GPIO。 因此，它实际上在本课程中无处不在。 我们将在本实验中实现一个非常简单的此类引脚。 希望您喜欢本次实验。 它比较有趣。