MCU普通GPIO与高速GPIO的差异

今天我要向大家介绍的是i.MXRT芯片上的普通GPIO和高速GPIO之间的差异。

GPIO是MCU上最简单、最常用的外设模块之一。当一些原生功能外设接口模块无法满足项目设计需求时，我们经常会考虑使用GPIO来软件模拟实现相应功能，这时GPIO本身的性能显得尤为重要。

在早期的 i.MXRT1015/1020/1024/1050型号上，GPIO都是普通性能（虽然相比一般低端的MCU来说已经非常优秀了）。考虑到i.MXRT是一种性能强大的芯片，需要更强的GPIO功能，因此在后续的i.MXRT1010/1060/1064/1160/1170型号上，出现了高速GPIO（HSGPIO）。

一、HSGPIO是什么？

HSGPIO是High-Speed GPIO的缩写，有时也称为紧耦合GPIO或单时钟周期GPIO。简单来说，它是指其模块（IP）的时钟源速度高于普通GPIO的时钟源，因此我们可以以更高的频率访问其模块寄存器。下表列出了i.MXRT各型号上HSGPIO的分布情况：

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：

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：

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，作者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 else
    {
        // GPIO2
        IOMUXC_GPR->GPR26 |= (1u while (1)
    {
        SDK_DelayAtLeastUs(100000, SDK_DEVICE_MAXIMUM_CPU_CLOCK_FREQUENCY);

        if (is_normal_gpio)
        {
            //GPIO1->DR_TOGGLE = (1u DR ^= (1u else
        {
            //GPIO2->DR_TOGGLE = (1u DR ^= (1u 

至此，i.MXRT上的普通GPIO与高速GPIO差异便介绍完毕了。

以上就是良许教程网为各位朋友分享的Linu系统相关内容。想要了解更多Linux相关知识记得关注公众号“良许Linux”，或扫描下方二维码进行关注，更多干货等着你 ！