今天我要向大家介绍一篇关于GPIO极限翻转频率的文章:i.MXRT1010上的普通GPIO与高速GPIO极限翻转频率。
一、测试准备过程
1.1 选择测试板卡和测试点
我们选择了恩智浦官方的MIMXRT1010-EVK开发板作为测试平台,连接LED灯的GPIO是GPIO_11。经过查阅芯片参考手册,得知这个引脚可以配置为普通GPIO(GPIO1[11])或高速GPIO(GPIO2[11]),这一特性使其成为我们理想的测试引脚。因此,我们决定使用这个引脚进行测试。另外,最终I/O输出波形的形态也受外围驱动电路的影响,因此值得在这里进行说明:
1.2 I/O 翻转测试代码
测试工程我们可以直接在 \SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1010\boards\evkmimxrt1010\driver_examples\gpio\led_output 例程上修改,为了尽力展示 GPIO 极限性能,不受其他瓶颈因素干扰,这里选择代码执行性能最高的工程 build(即代码段在 ITCM 里,数据段在 DTCM 里)。
I/O 初始化代码很简单,在 《普通GPIO与高速GPIO差异及其用法》 文章里都介绍清楚了。这里仅有一点注意,为了统一最终 I/O 输出效果,不管是用于普通 GPIO 还是 HSGPIO,我们都直接将测试 PAD 配置到最快的 200MHz 运行频率(PAD 支持的 50/100/150/200MHz 运行频率配置不同有何影响,文章最后会交待):
void io_test_init(bool useNormalGpio)
{
gpio_pin_config_t led_config = {kGPIO_DigitalOutput, 0, kGPIO_NoIntmode};
CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Iomuxc);
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0U);
// Fast Slew Rate, R0/6, 200MHz
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0x70F9U);
if (useNormalGpio)
{
// GPIO1
IOMUXC_GPR->GPR26 &= ~(1u else
{
// GPIO2
IOMUXC_GPR->GPR26 |= (1u
在 GPIO 模块里跟电平输出控制相关的寄存器有两个,一个是 DR 寄存器,另一个是 DR_TOGGLE 寄存器,都可用于实现输出电平翻转。有如下代码所示的三种常见电平翻转方法,在低翻转频率情况下,这三种方法是等效的,但是在极限翻转频率情况下,这三种方法表现不完全一致,下一节实测结果会告诉你:
void io_test_run(void)
{
io_test_init(false);
while (1)
{
// 电平翻转方法一:异或位操作
//GPIO2->DR ^= 0x800;
// 电平翻转方法二:直接切换位
//GPIO2->DR = 0x800;
//GPIO2->DR = 0x000;
// 电平翻转方法三:利用 TOGGLE 位
GPIO2->DR_TOGGLE = 0x800;
}
}
1.3 芯片系统时钟配置
《普通GPIO与高速GPIO差异及其用法》 一文里讲了,普通 GPIO 时钟源是 IPG Bus,而 HSGPIO 时钟源是 AHB Bus,因此测试工程里 AHB/IPG 时钟配置会影响最终 I/0 翻转极限频率。下图是 i.MXRT1010 内核结构里的 HSGPIO 通路,它和 i.MXRT1060/1170 内核结构里 HSGPIO 通路其实有点小区别,这也是 i.MXRT1010 上的优化之处。
led_output 例程里的默认系统时钟配置,AHB/Core 时钟来自于 PLL6 – 500MHz,AHB_PODF 设 0 (即不分频),而 IPG Bus 时钟源固定来自于 AHB/Core,且只能在其基础上做 1/2/3/4 分频,我们知道 IPG Bus 最高仅支持 150MHz,因此在这种情况下 IPG_PODF 只能设 3(四分频),IPG 时钟实际是 125MHz,显然 HSGPIO 访问可以得到最优性能,但普通 GPIO 达不到最优性能。
为了测试普通 GPIO 的最优性能,我们需要同时再测试一种新的系统时钟配置,AHB/Core 时钟源选用 PLL2_PFD3,将这个源配置为 452.6 MHz,AHB_PODF 依旧设 0,这样 IPG_PODF 设 2(三分频)可以得到 150.8MHz 的 IPG 时钟,这时普通 GPIO 访问可以得到最优性能,不过 HSGPIO 访问就要损失点性能了。
二、测试波形结果
准备工作都做完了,现在就是示波器连上板卡开始实测了,根据组合,一共有时钟配置(x2)* I/O 类型(x2)* 翻转方法(x3)总计 12 个结果,这里仅贴出 HSGPIO 在 500MHz AHB/Core 时钟频率下的三种翻转方法所得到的波形结果,全部测试结果见最后一节。
首先是 GPIO->DR 寄存器异或位操作得到的波形结果,为了减少 while(1) 的执行对翻转频率的影响(毕竟这一句指令也是要消耗 CPU 周期的),我们在 while(1) 里加十次翻转代码,统计结果时也是取 10 个波形周期,最终得到翻转频率为 22.946 MHz,效果似乎一般。汇编窗口来看,这句 C 代码异或操作被翻译成了三条指令,先 LDR 指令读出 GPIO->DR 寄存器当前值,然后 EOR 指令做异或操作,最后再 STR 指令写入 GPIO->DR 寄存器,应该是 LDR 回读指令耗时较长。
再来看 GPIO->DR_TOGGLE 置位操作和 GPIO->DR 的直接写入操作结果,实测下来发现这两种方法得到的翻转频率是一样的(从汇编窗口来看两种翻转方法都是仅一条 STR 指令搞定),都是 250MHz,效果虽好,但有点过头,因为波形里看到的不是标准幅值的方波(受200MHz带宽示波器限制),而是减半幅值的正弦波,也不排除 PAD 最大运行速度是 200MHz,它只能保证在低于 200MHz 的情况下有很好的电压幅值响应表现,超过这个频率,波形频率值不受影响,但电压幅值响应表现不能保证。
三、完整结果统计
现在我们来看一下全部的结果,因为三种 I/O 翻转方法里有两种效果是一样的,所以我们省略了 GPIO->DR 直接写入这种方法的结果,最终得到了 8 个结果。根据实测结果,我们得到了如下结论:
总结1:PAD配置里的运行频率并不限制最终输出翻转频率,只是无法保证超过设置频率后的波形幅值响应表现 总结2:置位 GPIO->DR_TOGGLE 寄存器可获得最佳 I/O 翻转性能 总结3:普通 GPIO 最大翻转频率是 20.614MHz,约是时钟源 IPG Bus 的 1/7.5 总结4:HSGPIO 最大翻转频率是 250MHz,约是时钟源 AHB Bus 的 1/2
AHB/Core时钟频率 | IPG总线时钟频率 | I/O PAD配置 | I/O翻转方法 | 普通GPIO极限翻转频率 | 高速GPIO极限翻转频率 |
---|---|---|---|---|---|
500MHz | 125MHz | Fast Slew, 200MHz | 异或GPIO->DR | 5.214MHz 标准幅度方波 | 22.946MHz 标准幅度方波 |
500MHz | 125MHz | Fast Slew, 200MHz | 置位GPIO->DR_TOGGLE | 15.533MHz 标准幅度方波 | 250MHz 减半幅度正弦波 |
452.6MHz | 150.8MHz | Fast Slew, 200MHz | 异或GPIO->DR | 6.309MHz 标准幅度方波 | 18.864MHz 标准幅度方波 |
452.6MHz | 150.8MHz | Fast Slew, 200MHz | 置位GPIO->DR_TOGGLE | 20.614MHz 标准幅度方波 | 226.244MHz 减半幅度正弦波 |
四、一个有趣的问题
最后再留一个开放问题,在痞子衡旧文 《以GPIO模块为例谈谈中断处理函数(IRQHandler)的标准流程》 里提到过 ARM Errata 838869 ,即在 Cortex-M4/7 上,如果 CPU 执行速度远远高于 GPIO 外设寄存器写入速度,如果代码逻辑里涉及 GPIO 寄存器回读,一般需要在 GPIO 寄存器写入操作后额外插入 DSB 指令来保证同步。
我们现在在 500MHz AHB/Core 时钟频率下 HSGPIO 翻转代码里额外插入 DSB 指令,看看有什么影响,结果翻转频率从 250MHz 一下子降到了 35.8MHz。
至此,i.MXRT1010上的普通GPIO与高速GPIO极限翻转频率便介绍完毕了,掌声在哪里~~~
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