LPC1114通用输入/输出端口（GPIO）

在第一节中已经介绍过，LPC1114处理器是一个32位结构的处理器，但它的GPIO端口没有把32根引脚都接出来，而是每组只接出来12根引脚（注意，第四组只接出来6根引脚），共有4组，一共42根引脚。它们都具有如下特点：

1.可通过软件配置GPIO引脚为输入或输出
2.每个独立的端口引脚均可作为外部中断的输入引脚（边沿或电平触发）
3.边沿触发中断可配置为上升沿触发、下降沿触发以及双边沿触发
4.电平触发中断引脚可以配置为高电平或低电平触发
5.所有GPIO引脚默认情况下均为输入
6.从端口读取和写入数据操作可以通过地址位13:2屏蔽

端口的具体使用配置会在后面一一进行讨论，这里先来看一下“通用输入/输出端口GPIO”的结构体是如何定义的，代码如下。
typedef struct

{

  union {

    __IO uint32_t MASKED_ACCESS[4096];  /*!< Offset: 0x0000 to 0x3FFC Port data Register for pins PIOn_0 to PIOn_11 (R/W) */

    struct {

         uint32_t RESERVED0[4095];

    __IO uint32_t DATA;                 /*!< Offset: 0x3FFC Port data Register (R/W) */

    };

  };

       uint32_t RESERVED1[4096];

  __IO uint32_t DIR;                    /*!< Offset: 0x8000 Data direction Register (R/W) */

  __IO uint32_t IS;                     /*!< Offset: 0x8004 Interrupt sense Register (R/W) */

  __IO uint32_t IBE;                    /*!< Offset: 0x8008 Interrupt both edges Register (R/W) */

  __IO uint32_t IEV;                    /*!< Offset: 0x800C Interrupt event Register  (R/W) */

  __IO uint32_t IE;                     /*!< Offset: 0x8010 Interrupt mask Register (R/W) */

  __I uint32_t RIS;                    /*!< Offset: 0x8014 Raw interrupt status Register (R/ ) */

  __I uint32_t MIS;                    /*!< Offset: 0x8018 Masked interrupt status Register (R/ ) */

  __O uint32_t IC;                     /*!< Offset: 0x801C Interrupt clear Register (R/W) */

} LPC_GPIO_TypeDef;

上述代码对LPC1114的GPIO端口的进行了结构体定义，由于GPIO位于内存地图中的AHB部分，所以从代码中可以看出，同前面讨论的结构体一样，它定义的成员变量利用偏移地址与AHB中的GPIO寄存器进行了对映。特殊的地方在于多了一个关于union的定义，要弄清这个定义，还必须回到AHB模块部分的寄存器描述中去。下图就给出了AHB模块内GPIO部分的寄存器分布情况。

对应上图与结构体中的内容可以看出，除了GPIODATA以外，其它寄存器与结构体成员的对映关系与前面讨论的SYSCON的一样。但对于GPIODATA就不能用前面的方法来分析了。下面就着重来讨论一下GPIODATA寄存器与其结构体成员之间是如何进行对映的。

GPIODATA寄存器是GPIO的数据寄存器，它存放的数据直接被输出到GPIO的引脚上，引脚输入的数据也会被放到该寄存器中。所以要对端口进行电平控制（无论是输入还是输出），就要对GPIODATA寄存器进行操作。同样，GPIODATA寄存器也是一个32位的结构，其地址占用4个字节。而GPIO端口只有12个引脚，因此GPIODATA寄存器只用了低12位来对映GPIO端口引脚。

从上图中还可以看出，GPIODATA寄存器的偏移地址是从0x0000~0x3FFC。最高地址是0x3FFC是因为，每个GPIODATA寄存器单元占用4 字节，所以共有0x3FFC/4=0xFFF个（即4095个）GPIODATA寄存器单元，因为地址是从第0个单元算起的，所以总共有4096个单元。而2的12次方刚好就等4096，所以它刚好可以表征12个引脚的容量。由此可以看出，每个引脚电平的值（无论是输入还是输出）都可以在GPIODATA寄存器中找到一个对映的单元（因为有4096个引脚状态就有4096个GPIODATA地址单元）。这样做是为什么呢？为什么不把端口引脚统一用一个端口寄存器来描述（姑且称为“方法一”），写（或读）这个端口寄存器不就行了？其实，其它大部分单片机也确实是这样做的。而这里LPC1114却要花费4096个地址单元来把引脚状态全部描述一遍（姑且称为“方法二”），也肯定是有它的理由的。其实，应该说LPC1114是两种方法都包含的（因为严格来说，“方法一”包含于“方法二”）。至于“方法二”的优点，其实就是可以在不改变其它引脚状态下，单独改变某一引脚上的电平。按理说，通过“与或”的逻辑操作方式，也可以让“方法一”实现这一功能（其它单片机也是这样做的），但它必须通过“读——修改——写”的步骤来实现。比如要实现仅对P0端口的第7个引脚输出高电平，程序可写为“P0 |= 1<<7”，其实就是“P0 =P0| 0b10000000”，这就可以看出，它先要把P0的值读出来，然后进行修改（和0b10000000相与），最后再把结果写回P0去。而“方法二”就简单多了，直接访问地址为0b10000000的单元就行了。下面详细来讨论方法二是如何实现位操作的。

为了实现“方法二”的位操作，在LPC1114中引入了一个新的概念——屏蔽（MASK）。它利用一个14位的结构来描述屏蔽操作，只有在屏蔽结构中值为1的位所对应的端口引脚值才会生效。例如要改变端口第7个引脚的电平，那么在这个端口所对应的屏蔽结构中，与第7个引脚对应的屏蔽位的值必须为1才行。同时要注意，屏蔽位并不是与端口位置一一对应的，而是屏蔽结构整体“左移”了两位再来对应！由于端口引脚数量为12，屏蔽结构又整体“左移”两位，所以它才需要用一个14位的结构来描述。据此，那么刚才第7个引脚所对应的屏蔽位应该是第9位。要改变第7个引脚的电平，屏蔽结构中的第9位的值要是1才行。此过程可用下图来描述，至于为何屏蔽结构要“左移”两位，后面会进行详细讨论。

在上图中，第一行表示的就是屏蔽结构，可见它是一个14位的结构，并且低两位没有用。第二行表示要写入到端口引脚上的值，如果第一行的屏蔽值都为1，那么第二行的这12个值就会被原封不动地写到12位端口引脚上去。第三行表示的就是端口引脚上的值，可见由于屏蔽结构中只有第9位的值为1，所以对应到要写入的数据第7位的值（1）就写到了端口引脚的第7位上去了（第7脚输出高电平），而端口引脚的其它位则保持不变（不论要写入的数据中对应的位是何值），这就是屏蔽结构的作用。前面讨论过，这个屏蔽结构涵盖了12位的所有组合状态，所以从全部不屏蔽（0x000）到全部屏蔽（0xFFF），都包含在了其中。由此可以看出，当屏蔽结构的值为全部屏蔽（0xFFF）时，就是要写入的数据值全部都关联（输入或输出）到端口引脚，这也就是前面提到的“方法一”的做法，相当于直接写数据到端口。所以说“方法二”包含了“方法一”。

从上图还可以看出，GPIODATA的地址是GPIO基址+屏蔽地址（偏移地址）。在LPC1114中共有4组GPIO端口，它们的基址分别是：port0为0x50000000；port1为0x50010000；port2为0x50020000；port3为0x50030000。而每组端口都有自己的屏蔽地址，4组GPIO基址加上各自的屏蔽地址后就是：port0为0x50000000~0x50003FFC；port1为0x50010000~0x50013FFC；port2为0x50020000~0x50023FFC；port3为0x50030000~0x50033FFC。每组都有4096个32位的单元。

接下来讨论为何屏蔽结构要“左移”两位再来对应。关于这一点，即便在管方文档中也没有给出解释。但通过观察可以看出，虽然屏蔽结构只用了14位来描述，但由于处理器本身是32位结构的，所以其实每个屏蔽结构本身的长度还是32位的，只不过它只用了低14位就足够了。换句话说，一个屏蔽结构要占用4个字节的地址。而全部（4096个）屏蔽结构就要占用4×4096个地址，因为地址是从0算起的，所以整个屏蔽结构所占用的地址是4×4096－1＝16383个，也即十六进制的0x3FFC个。对应上面的“GPIO寄存器分布情况表”会发现，这个值正好是GPIODATA寄存器地址偏移的最大值。那这两个之间会有什么关系呢？其实只能证明一点，在引入了屏蔽结构的概念后，屏蔽结构就是GPIODATA寄存器！更确切的说是地址为0x000~0x3FF8这段的GPIODATA寄存器（因为最后一个地址为0x3FFC的屏蔽结构是全部不屏蔽（值全为1），可以认为它无屏蔽作用，所以一般把它当作端口寄存器用（即“方法一”））。

由于C语言中的共用体（或称联合体）就具有地址空间复用的特点，所以利用共用体来定义GPIODATA是最为合适的。下面单独把这部分定义剔出来讨论，代码如下。

union {

    __IO uint32_t MASKED_ACCESS[4096];  /*!< Offset: 0x0000 to 0x3FFC Port data Register for pins PIOn_0 to PIOn_11 (R/W) */

    struct {

         uint32_t RESERVED0[4095];

    __IO uint32_t DATA;                 /*!< Offset: 0x3FFC Port data Register (R/W) */

    };

  };

可以看出，在共用体中定义了两个部分的复用内容。第一个部分是一个“uint32_t”型的MASKED_ACCESS（屏蔽）数组，一共定义了4096个元素空间。每个数组元素占用4个字节地址，4096个MASKED_ACCESS数组共占用0x3FFC的地址空间，每个单元都具有可读可写的属性（__IO）。从地址分配可以看出，这个数组包括了从屏蔽所有位（地址0x0000）到不屏蔽任何位（地址0x3FFC）的所有屏蔽结构部分。MASKED_ACCESS[0]对应地址0x0000，屏蔽所有位；MASKED_ACCESS[1]对应地址是0x0004（每个占用4字节），二进制数是0b00000000000100（14位，左移两位来对映），即不屏蔽端口第0位引脚；MASKED_ACCESS[2]对应地址是0x0008，二进制数是0b00000000001000（14位，左移两位来对映），即不屏蔽端口第1位引脚；MASKED_ACCESS[3]对应地址是0x000C，二进制数是0b00000000001100（14位，左移两位来对映），即不屏蔽端口第0位和第1位引脚；MASKED_ACCESS[4]对应地址是0x0010，二进制数是0b00000000010000（14位，左移两位来对映），即不屏蔽端口第2位引脚；如此等等；最后一个数组元素是MASKED_ACCESS[4095]，对应地址是0x3FFC，二进制数是0b11111111111100（14位，左移两位来对映），即不屏蔽任何端口引脚。

到此，就应该可以来回答刚才的问题“为何屏蔽结构要用12位左移2位来表示了”。这是由于，每个MASKED_ACCESS数组元素之间差了4个字节，为了让每个屏蔽结构都可以对应到各自对映的数组元素，必须对每个屏蔽结构乘以4。然而在位运算中，左移2位就相当于乘以4，所以用左移了2位的14位屏蔽结构，相当于给每个屏蔽结构都乘以4，这就免去了对4096个屏蔽结构都乘以4的操作指令！这是屏蔽结构要左移两位真正原因所在！

共用体中的第二个部分是一个“uint32_t”型的变量DATA。由于其前面定义了4095个“uint32_t”型空数组，避开了屏蔽结构中的前4095个单元。所以最后的变量DATA的起始地址就是0x3FFC，也就是最后一个屏蔽结构的地址。前面说过，最后一个屏蔽结构的值是全1，即不屏蔽。而这里用变量DATA来代替最后一个屏蔽结构，做法非常巧妙。相当于对DATA写什么值，在端口的引脚上就可以得到相应的电平。此时可认为它就是端口寄存器，而不是屏蔽结构。DATA也必须具有可读可写的属性（__IO）。

下面用一个例子来说明一下整个过程。例如，要让第0组GPIO的第0、3、10位输出1，其它位保持不变，需要如何操作。

首先看，要这三位输出1，先要给这三位对应的屏蔽位写1，则它们对应的14位屏蔽结构应该是“0b01000000100100”，换算成十六进制是“0x1024”。这个“0x1024”就是在0x0000~0x3FFC地址之间的一个单元，也即通过共用体对映到了4096个MASKED_ACCESS数组元素中的其中一个。但它到底是哪个MASKED_ACCESS数组元素呢？由于它们之间是4倍的关系，所以0x1024/4=0x409，十进制为1033，即MASKED_ACCESS[1033]单元。而写给端口的数据则是不左移的12位，即“0b010000001001”，换算成十六进制刚好就是“0x409”，十进制为1033，即该数组元素的编号。因此，通过执行MASKED_ACCESS[1033]=0x409，就可以实现对第0、3、10位输出1。而实际上，执行MASKED_ACCESS[1033]=0xFFF效果也是一样的，因为除了第0、3、10位为1以外，其它位可为任何值。同理，要对第0、3、10位输出0，执行MASKED_ACCESS[1033]=0x000和执行MASKED_ACCESS[1033]=0xBF6是一样的效果。

所以综上所述，MASKED_ACCESS要引用的数组单元，就是要输出到引脚上12位值的十进制数。当然，要实际引用，还要在程序预定义部分进行地址对映，代码如下。

#define LPC_AHB_BASE          (0x50000000UL)
#define LPC_GPIO0_BASE        (LPC_AHB_BASE  + 0x00000)
#define LPC_GPIO1_BASE        (LPC_AHB_BASE  + 0x10000)
#define LPC_GPIO2_BASE        (LPC_AHB_BASE  + 0x20000)
#define LPC_GPIO3_BASE        (LPC_AHB_BASE  + 0x30000)
#define LPC_GPIO0             ((LPC_GPIO_TypeDef   *) LPC_GPIO0_BASE )
#define LPC_GPIO1             ((LPC_GPIO_TypeDef   *) LPC_GPIO1_BASE )
#define LPC_GPIO2             ((LPC_GPIO_TypeDef   *) LPC_GPIO2_BASE )
#define LPC_GPIO3             ((LPC_GPIO_TypeDef   *) LPC_GPIO3_BASE )

有了上述预定义，刚才的例子就可以执行LPC_GPIO0->MASKED_ACCESS[1033]=0x409来实现了。

再来回顾一下前面第一个演示示例中对端口2的操作，主要代码如下。

while(1)
       {
              LPC_GPIO2->DATA = 0xAAA;
              delay_ms(500);
              LPC_GPIO2->DATA = 0x555;
              delay_ms(500);
       }
从中可以看出，它是通过“方法一”，即直接写DATA变量来实现的。因为它的全部12位都在变化，所以采用了这种方式。

剩于共用体定义中的其它部分，由于与SYSCON分析中的一样，可自行参考前面的内容来分析，这里就不再赘述了。最后不要忘记一点，由于在程序中引入了共用体union，所以在预定义部分要加下一句“#pragma anon_unions”，这在前面章节已经阐述过了。如果用包含头文件的方式的话，该定义存在于头文件LPC11xx.h中。