i.MXRT1xxx上的普通GPIO与高速GPIO的差异是什么？

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：
  [tr]型号普通GPIO高速GPIO[/tr]

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：
  [tr]型号PAD切换控制寄存器ALT功能名对应切换GPIO[/tr]

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_examplesgpioled_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();
        }
    }
}