LPC824-通用输入/输出端口

在LED交替闪烁的实例中，已经用到了LPC824的GPIO端口。GPIO端口是处理器与外部设备打交道的基础，为了更好地应用它，接下来就对LPC824的通用输入输出端口（GPIO）的寄存器结构及用法做详细深入地讨论。
在前面已经介绍过，LPC824处理器是一个32位结构的处理器，但它的GPIO端口并没有把32根引脚全都接出来，而是根据封装的不同，分别引出来了29根（HVQFN33封装）和16根（TSSOP20封装）引脚。它们都具有如下特点：
（1）GPIO引脚可以通过软件配置为输入或输出。
（2）所有GPIO引脚都默认设置为输入，复位时禁用中断。
（3）引脚寄存器允许单独感测和设置各引脚。
（4）GPIO的输入/输出方向可以独立置位或者清除。

GPIO端口的具体使用配置会在稍后进行讨论，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 {    
  __IO uint8_t   B0;
  __IO uint8_t   B1;
  __IO uint8_t   B2;
  __IO uint8_t   B3;
  __IO uint8_t   B4;
  __IO uint8_t   B5;
  __IO uint8_t   B6;
  __IO uint8_t   B7;
  __IO uint8_t   B8;
  __IO uint8_t   B9;
  __IO uint8_t   B10;
  __IO uint8_t   B11;
  __IO uint8_t   B12;
  __IO uint8_t   B13;
  __IO uint8_t   B14;
  __IO uint8_t   B15;
  __IO uint8_t   B16;
  __IO uint8_t   B17;
  __IO uint8_t   B18;
  __IO uint8_t   B19;
  __IO uint8_t   B20;
  __IO uint8_t   B21;
  __IO uint8_t   B22;
  __IO uint8_t   B23;
  __IO uint8_t   B24;
  __IO uint8_t   B25;
  __IO uint8_t   B26;
  __IO uint8_t   B27;
  __IO uint8_t   B28;
  __I  uint8_t   RESERVED0[4067];
  __IO uint32_t  W0;
  __IO uint32_t  W1;
  __IO uint32_t  W2;
  __IO uint32_t  W3;
  __IO uint32_t  W4;
  __IO uint32_t  W5;
  __IO uint32_t  W6;
  __IO uint32_t  W7;
  __IO uint32_t  W8;
  __IO uint32_t  W9;
  __IO uint32_t  W10;
  __IO uint32_t  W11;
  __IO uint32_t  W12;
  __IO uint32_t  W13;
  __IO uint32_t  W14;
  __IO uint32_t  W15;
  __IO uint32_t  W16;
  __IO uint32_t  W17;
  __IO uint32_t  W18;
  __IO uint32_t  W19;
  __IO uint32_t  W20;
  __IO uint32_t  W21;
  __IO uint32_t  W22;
  __IO uint32_t  W23;
  __IO uint32_t  W24;
  __IO uint32_t  W25;
  __IO uint32_t  W26;
  __IO uint32_t  W27;
  __IO uint32_t  W28;
  __I  uint32_t  RESERVED1[995];
  __IO uint32_t  DIR0;          
  __I  uint32_t  RESERVED2[31];
  __IO uint32_t  MASK0;         
  __I  uint32_t  RESERVED3[31];
  __IO uint32_t  PIN0;          
  __I  uint32_t  RESERVED4[31];
  __IO uint32_t  MPIN0;         
  __I  uint32_t  RESERVED5[31];
  __IO uint32_t  SET0;
  __I  uint32_t  RESERVED6[31];
  __O  uint32_t  CLR0;          
  __I  uint32_t  RESERVED7[31];
  __O  uint32_t  NOT0;          
  __I  uint32_t  RESERVED8[31];
  __O  uint32_t  DIRSET0;       
  __I  uint32_t  RESERVED9[31];
  __O  uint32_t  DIRCLR0;       
  __I  uint32_t  RESERVED10[31];
  __O  uint32_t  DIRNOT0;       
} LPC_GPIO_PORT_Type; 

上述代码对LPC824的GPIO端口进行了结构体定义，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GPIO端口区的寄存器一一对应。下表给出了GPIO端口区寄存器的分布情况。

由上表可以看出，在LPC824中GPIO端口一共使用了68个寄存器。其中，B0~B28共29个寄存器为一类，分别对应到PIO0~PIO28一共29个引脚，每个寄存器长度为一个字节（8位），占用的偏移地址范围为0x0000~0x001C。W0~W28共29个寄存器为一类，也分别对应到PIO0~PIO28一共29个引脚，每个寄存器长度为一个字（32位），占用的偏移地址范围为0x1000~0x1074。这两类寄存器每个对应一个引脚，用于操作每个引脚的输出或输入电平，可选择字节操作型（B类寄存器），或字操作型（W类寄存器）。其余10个寄存器的长度都是32位，用于操作端口的其他功能。同前面的结构体对应比较，成员B0~B28因此被定义为uint8_t型（即8位长度），可读可写（即__IO型），成员W0~W28因此被定义为uint32_t型（即32位长度），可读可写（即__IO型），其余10个成员DIR0~DIRNOT0因此被定义为uint32_t型（即32位长度），读写属性则根据不同寄存器需要被定义为__IO型（读写）或__I型（读）或__O型（写）。在地址空余的地方，比如B28寄存器到W0寄存器之间，一共空余了0x1000-0x001C-1=4067个字节（见上表），因此定义了32位的空数组成员RESERVED0[4067]以占满偏移的字节数，且为__I型（输入型），其他空余处的分析以此类推。

从上面的讨论可知，端口的结构体LPC_GPIO_PORT_Type是严格按照上表中的寄存器地址偏移来进行定义的。完成定义后，还需要对其进行地址映射，如下：

#define LPC_GPIO_PORT_BASE 0xA0000000UL
#define LPC_GPIO_PORT ((LPC_GPIO_PORT_Type *) LPC_GPIO_PORT_BASE)

通过上述定义后，在程序中就可以通过“LPC_GPIO_PORT->”的形式来引用各端口寄存器的名称了。以上分析实际上是重现了前面头文件解析中的分析方法，以进一步巩固学习效果，在明白了其中原理之后，后续各模块的介绍中，将不再进行此类分析了。

接下来讨论各个端口寄存器的功能，先来看GPIO端口的29个字节引脚寄存器（B0~B28），其字节地址从0xA0000000(B0)至0xA000001C(B28)，由于29个寄存器功能完全一样（只是针对不同的引脚），下表只给出了其中一个的全部位结构。

（1）第0位 为对应引脚的操作位，置1时，引脚输出高电平，置0时输出低电平，引脚输入高电平时，读该位的值为1，输入低电平时值为0。对该位的操作不受引脚屏蔽功能的影响。若该引脚被配置为模拟引脚时，读出的值恒为0。
（2）第1到7位为保留位，读取这些位的值恒为0，写入这些位的值将被忽略。

接下来看GPIO端口的29个字引脚寄存器（W0~W28），其字节地址从0xA0001000(W0)至0xA0001074(W28)，同样由于29个寄存器功能完全一样（只是针对不同的引脚），下表只给出了其中一个的全部位结构。

（1）当对32位写入0x00000001~0xFFFFFFFF之间的任何值，引脚输出高电平，写入0时引脚输出低电平，引脚输入高电平时，将读到32位数据0xFFFFFFFF，输入低电平时值为0。对这些位的操作不受引脚屏蔽功能的影响。若该引脚被配置为模拟引脚时，读出的值恒为0。

下表给出的是GPIO方向端口寄存器DIR0的全部位结构，其字节地址为0xA0002000。

（1）第0到28位为对应引脚的操作位，置1时，引脚为输出方向，置0时为输入方向。
（2）第29到31位为保留位。 

下表给出的是GPIO屏蔽端口寄存器MASK0的全部位结构，其字节地址为0xA0002080。对该寄存器的操作会影响到读写MPORT寄存器（即下面的MPIN0寄存器）。

（1）第0到28位为对应MPORT引脚的操作位，置1时，对应的MPORT写入值会被屏蔽（不生效），即对MPORT的输出操作不会改变原有状态，而对MPORT的读取则始终为0。置0时，不影响对MPORT的操作（即不屏蔽）。
（2）第29到31位为保留位。

下表给出的就是GPIO屏蔽端口引脚寄存器MPIN0的全部位结构，其字节地址为0xA0002180。

（1）第0到28位为对应GPIO引脚（PIO0~PIO28）的操作位，当某位置1时，若MASK0中该位也为1，则对应引脚将保持原来的电平不变，若MASK0中该位为0，则对应引脚会输出高电平。置0时，若MASK0中该位为1，则对应引脚将保持原来的电平不变，若MASK0中该位为0，则对应引脚会输出低电平。
（2）第29到31位为保留位。

如果想读写引脚的电平不受MASK0寄存器的控制，则可以访问PIN0寄存器而不是MPIN0，下表就给出了GPIO端口引脚寄存器PIN0的全部位结构，其字节地址为0xA0002100。

（1）第0到28位为对应GPIO引脚（PIO0~PIO28）的操作位，当某位置1时，对应的引脚会输出高电平，置0时，对应的引脚会输出低电平。引脚输入高电平时，读得对应引脚的值为1，输入低电平时读得的值为0。
（2）第29到31位为保留位。

下表给出的是GPIO端口设置寄存器SET0的全部位结构，其字节地址为0xA0002200。向该寄存器写1，可以置位输出位，且不受MASK0寄存器的影响。读这些寄存器会返回端口的输出位，且无论引脚是什么方向。

（1）第0到28位为对应GPIO引脚（PIO0~PIO28）的操作位，当某位置1时，对应的引脚会输出高电平，置0时，对应的引脚将保持原来的电平不变。读取时将会得到原来的输出值。
（2）第29到31位为保留位。 

下表给出的是GPIO端口清除寄存器CLR0的全部位结构，其字节地址为0xA0002280。该寄存器为只写，向该寄存器写1，可以清除输出位，且不受MASK0寄存器影响。

（1）第0到28位为对应GPIO引脚（PIO0~PIO28）的操作位，当某位置1时，对应的引脚会输出低电平，置0时，对应的引脚将保持原来的电平不变。
（2）第29到31位为保留位。

下表给出的是GPIO端口切换寄存器NOT0的全部位结构，其字节地址为0xA0002300。该寄存器为只写，向该寄存器写1，可以切换（反转）输出位，且不受MASK0寄存器影响。

（1）第0到28位为对应GPIO引脚（PIO0~PIO28）的操作位，当某位置1时，对应的引脚电平会被取反输出，置0时，对应的引脚将保持原来的电平不变。
（2）第29到31位为保留位。

下表给出的是GPIO端口方向设置寄存器DIRSET0的全部位结构，其字节地址为0xA0002380。该寄存器为只写。

（1）第0到28位为对应GPIO引脚（PIO0~PIO28）的操作位，当某位置1时，对应的引脚会被设置为输出方向，置0时，对应的引脚将保持原来的方向不变。
（2）第29到31位为保留位。

下表给出的是GPIO端口方向清除寄存器DIRCLR0的全部位结构，其字节地址为0xA0002400。该寄存器为只写。

（1）第0到28位为对应GPIO引脚（PIO0~PIO28）的操作位，当某位置1时，对应的引脚会被设置为输入方向，置0时，对应的引脚将保持原来的方向不变。
（2）第29到31位为保留位。

下表给出的是GPIO端口方向寄存器DIRNOT0的全部位结构，其字节地址为0xA0002480。该寄存器为只写。

（1）第0到28位为对应GPIO引脚（PIO0~PIO28）的操作位，当某位置1时，对应的引脚方向会被取反切换，置0时，对应的引脚将保持原来的方向不变。
（2）第29到31位为保留位。

以上介绍的是LPC824通用输入输出端口的基本原理，至于如何具体使用，将在下次再进行讨论。