LPC800 前生今世-第七章 輸入輸出控制器（GPIO）

一款MCU，最重要的是要有輸入輸出引腳，引腳的數(shù)量要夠豐富，功能要夠齊全，還要有靈活的輸入輸出控制方式。

在LPC800系列中提供了很多封裝和輸入輸出引腳數(shù)量的選項(xiàng)：

表1 LPC800各系列引腳數(shù)

沒有單獨(dú)的模擬比較器供電引腳，其它封裝都有單獨(dú)的模擬比較器供電引腳。

從表1可以看出，所有LPC800產(chǎn)品的引腳利用率是非常高的，除了供電引腳外，所有其它引腳，包含調(diào)試引腳、外接晶振的引腳和所有具有模擬功能的引腳，都可以作為普通的數(shù)字輸入輸出使用。甚至芯片的復(fù)位引腳，也可以在芯片啟動(dòng)后被配置為數(shù)字輸入輸出引腳。這大大增加了產(chǎn)品的可用性和配置的靈活性。

這里要強(qiáng)調(diào)一個(gè)重要的概念，引腳通常被稱為GPIO引腳，但引腳不等同于GPIO控制器。在LPC800中，引腳的配置由IOCON模塊實(shí)現(xiàn)，而GPIO模塊只實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)引腳輸入電平的直接讀取，和對(duì)輸出引腳的電平高低的控制。

所有需要用到輸入輸出引腳的模塊，例如UART、I2C、SPI、ADC、定時(shí)器等，都需要使用IOCON配置外部引腳。使用GPIO模塊之前，也都需要使用IOCON配置外部引腳。

一、LPC800的引腳配置功能

LPC800的引腳具有下述功能：

■內(nèi)部上拉或下拉電阻

■漏極開路模式

■輸入遲滯(Hysteresis)

■可配置的數(shù)字式毛刺濾波

■模擬模式

下圖是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)引腳的功能示意圖： 圖1.引腳功能圖

這個(gè)示意圖可以分為三個(gè)部分，上面是輸出部分，下面是輸入部分，中間是一個(gè)維持輸入信號(hào)的維持電路。下面幾個(gè)小節(jié)分別關(guān)注不同的功能部分。

1.1標(biāo)準(zhǔn)推拉輸出

這是最常用的輸出模式，圖1中綠色框中的兩個(gè)MOS管的導(dǎo)通和截止，決定了輸出電平的高低。采用這種模式時(shí)，芯片直接推動(dòng)對(duì)應(yīng)的引腳信號(hào)，并具有一定的信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力。具體驅(qū)動(dòng)能力的大小，每個(gè)產(chǎn)品系列會(huì)不盡相同，用戶需要查看數(shù)據(jù)手冊(cè)中的參數(shù)說明。

下圖是LPC82x數(shù)據(jù)手冊(cè)中Electrical pin characteristics列表中的相關(guān)參數(shù)：

V_OH表示當(dāng)引腳輸出高時(shí)的情況，即輸出電流為4mA或3mA時(shí)，引腳的電壓值最多可以達(dá)到V_DD-0.4V。例如，某個(gè)引腳有一個(gè)825Ω對(duì)地電阻，當(dāng)V_DD=3.3V時(shí)，電阻上的電流為4mA，達(dá)到手冊(cè)規(guī)定的最大允許電流，此時(shí)引腳端的電壓將不會(huì)低于2.9V，這遠(yuǎn)高于TTL或CMOS高電平的電壓。

在實(shí)際應(yīng)用中，通?？梢杂靡粋€(gè)串聯(lián)了幾百Ω小電阻的LED，通過輸出高電平點(diǎn)亮LED。小電阻的具體阻值可以按照LED的壓降計(jì)算得出，或按照經(jīng)驗(yàn)測試出來。

V_OL表示當(dāng)引腳輸出低時(shí)，允許外部輸入電流的大小。作為例子，可以用一個(gè)串聯(lián)了小電阻的LED，跨接在V_DD和引腳之間，通過輸出低點(diǎn)亮LED。

I_OH和I_OL表示當(dāng)引腳輸出高或低時(shí)，能夠輸出或輸入的電流大小。

為了一些需要大電流驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用，在LPC800系列中，還有一些引腳能夠輸出較大的電流，當(dāng)輸出高時(shí)，輸出電流可以達(dá)到20mA。下表是LPC82x數(shù)據(jù)手冊(cè)中，關(guān)于PIO0_2、PIO0_3、PIO0_12和PIO0_16的輸出參數(shù)表。利用這一特性，用戶可以使用這些引腳，控制片外大電流的電路，例如直接驅(qū)動(dòng)電流環(huán)的通信電路。

1.2開漏輸出

開漏模式通常用于I2C通信和其它需要雙向通信的場合?？刂茍D中“開漏輸出”控制信號(hào)有效，不管輸出還是輸入信號(hào)，也不管輸出是高還是低，綠色框中上方的那個(gè)MOS管始終處于截止?fàn)顟B(tài)。

使用開漏輸出模式時(shí)，通常用戶需要在該引腳的芯片外部設(shè)置一個(gè)上拉電阻，此電阻的大小由外部輸入電路的輸入阻抗決定。

當(dāng)引腳輸出低時(shí)，綠色框中下方的MOS管導(dǎo)通，引腳被拉低；此時(shí)外部上拉電阻上流過的電流，會(huì)通過引腳注入下方的MOS管，因此上拉電阻不能太小，要保證注入電流不能超出芯片能夠承受的范圍。從上一節(jié)的引腳參數(shù)表中可以看到，一般引腳的灌入電流為4mA，即當(dāng)V_DD為3.3V時(shí)，外部的等效上拉電阻不能小于825Ω。

當(dāng)引腳輸出高時(shí)，綠色框中下方的MOS管截止，引腳的電平由外部電路決定。此時(shí)片外的上拉電阻將把信號(hào)線拉至高電平。

實(shí)際上，當(dāng)在開漏輸出引腳輸出高時(shí)，兩個(gè)MOS管都是處于截止?fàn)顟B(tài)，該引腳對(duì)外呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。利用這一特性，允許多個(gè)器件的開漏輸出引腳相互連接在一起，通過“線與”實(shí)現(xiàn)雙向通信。

為了實(shí)現(xiàn)I2C的高速模式+，或其它大電流驅(qū)動(dòng)的需要，LPC800系列中，還有幾個(gè)引腳允許灌入較大的電流。在適當(dāng)?shù)呐渲孟?，不管是推拉輸出還是開漏輸出模式下，當(dāng)引腳輸出低時(shí)，可以有多達(dá)20mA的灌入電流。

下圖摘錄于LPC82x的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以看出PIO0_10和PIO0_11具有灌入大電流的能力。讀者可以自行查看其它型號(hào)的數(shù)據(jù)手冊(cè)，找出相應(yīng)的引腳。

1.3數(shù)字輸入

圖1中橙色框里的電路就是數(shù)字輸入部分。當(dāng)引腳處于輸入模式時(shí)，綠色框中的兩個(gè)MOS管均處于截止?fàn)顟B(tài)，不對(duì)引腳的外部電平產(chǎn)生影響。

當(dāng)引腳配置為數(shù)字輸出時(shí)，這部分輸入電路仍然連接在引腳的回路中，并沒有斷開，即用戶可以在配置為數(shù)字輸出的引腳上讀回信號(hào)線的狀態(tài)。當(dāng)引腳配置為開漏輸出時(shí)，I2C就是利用這一特性實(shí)現(xiàn)了在同一個(gè)信號(hào)線上的雙向通信，用戶也可以利用這一特性，自行實(shí)現(xiàn)雙向通信。

LPC800的輸入模式還有幾個(gè)特殊的特性，可以方便地輔助用戶實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，隨后幾節(jié)會(huì)一一介紹。

1.4輸入反向

使能這個(gè)模式后，當(dāng)輸入引腳為低電平時(shí)，軟件會(huì)在寄存器讀到’1’，反之當(dāng)輸入引腳為高電平時(shí)，軟件會(huì)在寄存器讀到’0’。用戶可以按照應(yīng)用的要求，自主配置是否需要“輸入反向”。

一般情況下，基本用不到該功能。只有在片外使用負(fù)邏輯電路時(shí)，為了軟件邏輯的方便，可以啟用此功能。

1.5輸入的數(shù)字濾波

用戶可以使能這個(gè)功能，自動(dòng)地過濾掉輸入信號(hào)中可能出現(xiàn)的毛刺。例如，用戶可以利用它，實(shí)現(xiàn)按鍵的自動(dòng)去抖動(dòng)。
如果輸入信號(hào)的頻率較高，則需要關(guān)閉此功能。

經(jīng)過適當(dāng)配置，數(shù)字濾波功能能夠?yàn)V除的最窄脈沖，是小于一個(gè)主時(shí)鐘周期的脈沖，即當(dāng)系統(tǒng)主時(shí)鐘為30MHz時(shí)，寬度小于33ns的信號(hào)會(huì)被濾除。數(shù)字濾波功能可以濾除的最寬的脈沖，則是小于3 x 255個(gè)主時(shí)鐘周期的脈沖，即當(dāng)系統(tǒng)主時(shí)鐘為30MHz時(shí)，可以濾除寬度小于25.5us的脈沖，這已經(jīng)足夠?qū)崿F(xiàn)一般按鍵去抖動(dòng)的要求。

1.6輸入信號(hào)遲滯（Hysteresis）

這個(gè)功能是指，當(dāng)一個(gè)外部輸入信號(hào)由低變高，或由高變低時(shí)，芯片內(nèi)部會(huì)推遲輸入狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。

下面是LPC82x數(shù)據(jù)手冊(cè)中引腳靜態(tài)特性的參數(shù)表截圖：

當(dāng)外部輸入電平為0.7V_DD時(shí)，芯片會(huì)識(shí)別為’高’(V_IH)，即當(dāng)V_DD=3.3V時(shí)，V_IH=2.3V；當(dāng)外部輸入電平為0.3V_DD時(shí)，芯片會(huì)識(shí)別為’低’(V_IL)，即當(dāng)V_DD=3.3V時(shí)，V_IL=1.0V。

當(dāng)使能輸入遲滯功能時(shí)，按照上面截圖的參數(shù)，芯片會(huì)在外部信號(hào)變化過程中，推遲0.4V改變內(nèi)部寄存器的數(shù)值。這個(gè)遲滯電壓的數(shù)值會(huì)隨芯片的不同而不同，設(shè)計(jì)時(shí)請(qǐng)注意查看對(duì)應(yīng)型號(hào)的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

舉個(gè)例子，當(dāng)外部信號(hào)從3.0V下降到0V的過程中，如果沒有遲滯功能，內(nèi)部寄存器的數(shù)值會(huì)在信號(hào)剛好降到低于1.0V時(shí)，從’1’變?yōu)?/span>’0’；如果引入遲滯功能，只有信號(hào)降到低于0.6V時(shí)，內(nèi)部寄存器的數(shù)值才會(huì)變化。同理，當(dāng)外部信號(hào)上升時(shí)，沒有遲滯功能時(shí)，內(nèi)部寄存器的數(shù)值會(huì)在外部電平剛好超過2.3V時(shí)變化，使能遲滯功能后，內(nèi)部寄存器的數(shù)值要在外部電平超過2.7V時(shí)才變化。

使用這個(gè)功能的好處是，當(dāng)外部輸入信號(hào)變化時(shí)，可以濾除電平上的小幅抖動(dòng)，內(nèi)部寄存器的數(shù)值不至于隨外部信號(hào)的抖動(dòng)而頻繁變化，減少軟件處理的負(fù)擔(dān)。

1.7輸入維持

在原文的用戶手冊(cè)中，該功能被稱為Repeater(重復(fù))模式。

圖1中紫色虛線框中的部分實(shí)現(xiàn)輸入維持模式。當(dāng)外部輸入為高電平時(shí)，輸入維持電路在引腳內(nèi)部接入一個(gè)弱上拉電阻；當(dāng)外部輸入為低電平時(shí)，則在引腳內(nèi)部接入一個(gè)弱下拉電阻。這樣所產(chǎn)生的效果就是，如果外部電路不再驅(qū)動(dòng)這個(gè)信號(hào)線，該信號(hào)線不至于處于浮空狀態(tài)。

我們知道，CMOS電路的輸入端，在處于浮空狀態(tài)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較大的漏電流增加功耗，同時(shí)也非常容易受到外界信號(hào)的干擾。使能輸入維持模式，則可以避免這種浮空狀態(tài)，減少了系統(tǒng)的無謂功耗，也提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.8引腳的內(nèi)部上拉或下拉

上節(jié)介紹的“輸入維持”模式里的上拉電阻和下拉電阻，是由對(duì)應(yīng)電路自動(dòng)引入，用戶也可以按照自己的應(yīng)用邏輯，直接使能引腳內(nèi)部的上拉或下拉電阻，同樣可以達(dá)到避免信號(hào)線浮空的目的。

與輸入維持模式不同的是，應(yīng)用程序可以自行決定在外部電路浮空時(shí)，需要保持信號(hào)線的高電平狀態(tài)，還是低電平狀態(tài)。

另外使能引腳的內(nèi)部上拉或下拉，獨(dú)立于引腳的輸入或輸出模式。即不管引腳是輸入還是輸出，都可以配置有內(nèi)部上拉或下拉。

按照數(shù)據(jù)手冊(cè)中的參數(shù)推算，內(nèi)部上拉電阻或下拉電阻的等效阻值的典型值是100kΩ左右。讀者可自行查看手冊(cè)中的相應(yīng)部分。

1.9 I2C模式

在LPC800系列中，引腳PIO0_10和PIO0_11擁有特殊的I2C模式，除了支持標(biāo)準(zhǔn)和快速I2C模式，還可以支持I2C快速+模式。這兩個(gè)引腳是真開漏輸出，即在這兩個(gè)引腳的輸出電路中，沒有圖1綠色框中上邊的那個(gè)MOS管；而普通的“非” 真開漏引腳，是通過始終讓上邊那個(gè)MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，實(shí)現(xiàn)開漏輸出的功能。

在LPC800中，只有I2C0可以配置為快速+模式。從SWM章節(jié)可以看到，LPC81x的I2C0引腳可以經(jīng)SWM配置到任意引腳，但只能在引腳PIO0_10和PIO0_11上使用快速+模式；其它LPC800系列產(chǎn)品中，I2C0的引腳是不能經(jīng)SWM移動(dòng)的。

當(dāng)I2C的輸出引腳使用PIO0_10和PIO0_11時(shí)，需要配置這兩個(gè)引腳為I2C模式；當(dāng)I2C的輸出使用其它引腳時(shí)，則需要配置對(duì)應(yīng)的引腳為開漏模式。

1.10模擬輸入/輸出

對(duì)于模擬輸入功能來說，不需要在IOCON中做任何配置，一旦在SWM模塊使能了某個(gè)模擬輸入功能后，該引腳對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸入輸出功能就被屏蔽。即作為模擬引腳時(shí)，圖1中綠色框和藍(lán)色框的輸出MOS全部截止，橙色的輸入線路也處于關(guān)閉狀態(tài)，引腳上的數(shù)字輸入輸出電路均處于高阻狀態(tài)。

相比其它系列，在LPC84x中增加了兩個(gè)DAC模擬輸出，這兩個(gè)DAC對(duì)應(yīng)的配置寄存器相比其它引腳的配置寄存器，多了一個(gè)模擬輸出的控制位。和模擬輸入一樣，當(dāng)選擇了模擬輸出后，該引腳的數(shù)字輸入輸出電路即被屏蔽。

二、引腳的5V兼容

當(dāng)引腳配置為數(shù)字輸入模式時(shí)，除了與VDDCMP共用的PIO0_6引腳外，其它的引腳都可以承受外部5V的電壓。PIO0_6只能承受與V_DD相同的電壓。

當(dāng)引腳配置為模擬輸入時(shí)，則不能承受外部5V的電壓，用戶需特別留意。

作為輸入時(shí)，引腳能夠承受5V的輸入電壓，這個(gè)特性極大地方便了使用LPC800產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的5V器件在同一個(gè)系統(tǒng)里的互聯(lián)，即一個(gè)5V器件的數(shù)字輸出引腳可以直接連接到LPC800的數(shù)字輸入端。

反之，LPC800的數(shù)字輸出引腳可以直接與5V器件的輸入端相連，但5V器件是否能夠正確地識(shí)別LPC800輸出的高電平，用戶需自行查看這個(gè)5V器件的手冊(cè)來決定。

三、復(fù)位后引腳的默認(rèn)狀態(tài)

結(jié)合SWM章節(jié)和GPIO章節(jié)的描述，系統(tǒng)復(fù)位后除了與SWDIO、SWCLK和RESETN對(duì)應(yīng)的功能外，所有的可移動(dòng)功能都與引腳斷開，即引腳內(nèi)部與GPIO模塊相連；同時(shí)由于GPIO模塊中所有的端口復(fù)位后默認(rèn)為輸入，因此在復(fù)位后，除PIO0_2、PIO0_3和PIO0_5外，所有其它引腳都是數(shù)字輸入，并且使能了內(nèi)部弱上拉電阻。

在最新的LPC84x產(chǎn)品中，引入了一個(gè)新的模塊-FAIM(快速初始化存儲(chǔ)器)，它可以在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，按照事先安排好的邏輯，在軟件還未運(yùn)行時(shí)快速地配置好引腳的弱上拉、弱下拉或輸入維持模式。詳見FAIM對(duì)應(yīng)章節(jié)。

3.1未用引腳的配置

為了減少干擾和減小功耗，建議在軟件啟動(dòng)后，立即把不用的懸空引腳，配置為輸出并輸出低電平同時(shí)關(guān)閉內(nèi)部的上拉電阻。

四、引腳模式配置

在LPC800產(chǎn)品中，每個(gè)引腳都對(duì)應(yīng)一個(gè)32位寄存器，用于配置1.1中介紹的各項(xiàng)功能和模式。下面幾張表格列出了所有引腳的IOCON配置寄存器的每位功能。

表2.LPC81x、LPC82x、LPC83x和LPC84x引腳配置寄存器列表

表3.LPC82x、LPC83x和LPC84x

引腳配置寄存器列表(不含LPC81x)

表4.LPC84x的引腳配置寄存器列表

上述表格中列出了每個(gè)寄存器的第0~16位，寄存器的第17~31位均為保留位。其它位的意義如下：

五、使用IOCON的數(shù)字濾波功能實(shí)現(xiàn)按鍵去抖動(dòng)的例程

使用數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)按鍵去抖，配置過程很簡單，只需三步：

1、使能IOCON時(shí)鐘；

2、配置IOCONCLKDIVx的分頻系數(shù)；

3、配置對(duì)應(yīng)引腳的配置寄存器。

以下是初始化LPC824-Lite開發(fā)板上的KEY_USER和KEY_ISP按鍵的例程。

在例程中使用了下列宏定義：

代碼片段1.配置KEY_USER和KEY_ISP按鍵數(shù)字濾波功能的函數(shù)

代碼的第04和11行是對(duì)應(yīng)的，此例程使用了IOCONCLKDIV0作為濾波時(shí)鐘，并設(shè)置分頻系數(shù)為255，在主頻為30MHz時(shí)，可以濾除最大255x3=765個(gè)周期，即25.5us的脈沖。

END

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