基于ARM的裸机程序设计和开发（四）：硬件编程原理与GPIO控制思路

文章目录

• • 概要
  • 一、前言
  • 二、什么是硬件编程
  • 三、为什么要学习硬件编程
  • [四、GPIO 为什么适合作为入门外设](#四、GPIO 为什么适合作为入门外设)
  • [五、典型 GPIO 结构](#五、典型 GPIO 结构)
  • [六、GPIO 往往不是"一个引脚"，而是一组引脚](#六、GPIO 往往不是“一个引脚”，而是一组引脚)
  • [七、增强型 GPIO 结构](#七、增强型 GPIO 结构)
  • [八、Zynq7000 的 GPIO 结构特点](#八、Zynq7000 的 GPIO 结构特点)
  • [九、GPIO 控制的基本编程思路](#九、GPIO 控制的基本编程思路)
  • [十、输出型 GPIO 场景：使用 GPIO 控制 LED](#十、输出型 GPIO 场景：使用 GPIO 控制 LED)
  • [十一、LED 控制场景下的初始化思路](#十一、LED 控制场景下的初始化思路)

概要

在 Zynq 裸机开发中，真正实现对 LED、按键、串口、I2C、SPI 等外设的控制，本质上都离不开对硬件寄存器的读写操作。这种面向外设控制器寄存器的程序设计方式，就是硬件编程。本文结合 Zynq 平台的 GPIO 外设，介绍什么是硬件编程、为什么要学习硬件编程、GPIO 的典型结构与增强结构，以及基于 GPIO 控制 LED 的基本编程思路和方法，为后续外设驱动开发打下基础。

关键词

Zynq；裸机开发；硬件编程；GPIO；寄存器；LED；MIO

一、前言

在学习 Zynq 裸机开发时，很多初学者一开始会觉得"写程序就是写 C 代码"，但真正进入外设控制之后就会发现，裸机程序和普通应用程序有一个很大的不同：

裸机程序不是只和变量、函数、流程打交道，而是直接和硬件打交道。

比如：

• 想让 LED 亮，就要控制对应 GPIO 输出高低电平；
• 想读取按键状态，就要读取对应输入寄存器的值；
• 想让串口发送数据，就要向 UART 发送寄存器写入数据；
• 想和传感器通信，就要配置 I2C 或 SPI 控制器的寄存器。

也就是说，CPU 并不是直接"懂"LED、按键和传感器，而是通过访问各种外设控制器的寄存器，实现对外部世界的控制和感知。这个过程，就是所谓的硬件编程。

在前面的内容中，我们已经接触了 BSP、寄存器读写、地址访问等基础知识。本文就在此基础上，进一步讲清楚 Zynq 裸机开发中的硬件编程原理，并以 GPIO 为例，建立最基本的外设控制思路。

二、什么是硬件编程

所谓硬件编程，简单来说，就是：

通过对硬件外设控制器寄存器进行读写，来配置其工作模式并完成数据交互。

在 Zynq 开发中，这里的"硬件"通常包括两大类：

• PS 端自带的外设控制器，例如 GPIO、UART、I2C、SPI 等；
• PL 端自定义或扩展的外设控制器 IP。

CPU 要想控制这些硬件，或者从这些硬件获得状态信息，就必须通过对应的控制器寄存器来完成。也就是说，硬件编程并不是"直接操作外设本体"，而是"通过寄存器去控制外设控制器，再由控制器去操作外部设备"。

例如：

• 控制 LCD 显示字符；
• 控制继电器吸合或断开；
• 通过串口打印调试信息；
• 通过 I2C 读取温湿度传感器数据；
• 通过 SPI 控制 ADC 进行采样；
• 读取按键状态；

这些场景，本质上都属于硬件编程。

三、为什么要学习硬件编程

对于嵌入式开发来说，学习硬件编程不是"可选技能"，而是"基础能力"。

因为不管你最终做的是：

• LED/按键基础实验，
• 串口打印调试，
• 传感器采集，
• 屏幕显示，
• 工业控制，
• 还是 FPGA 与 ARM 协同系统设计，

都离不开对底层外设的控制。

换句话说，如果不会硬件编程，你就很难真正理解：

• 程序为什么能控制硬件；
• 某个外设为什么这样初始化；
• 某一位寄存器为什么要写 1；
• 为什么有的功能要先配置方向，再配置数据；
• 为什么有的场景要开中断，有的场景不用。

当然，不同的外设功能不同，寄存器设计也不同，很难存在一个通用的程序模板去控制所有外设。因此只能遵循一个原则：

具体硬件具体分析，具体功能具体编程。

而在所有外设中，GPIO 可以说是最基础、最简单、最适合入门的一类，因此也非常适合作为硬件编程的第一站。

四、GPIO 为什么适合作为入门外设

GPIO 是 General Purpose Input/Output 的缩写，也就是通用输入输出接口。

几乎所有基于 CPU 的芯片里都会有 GPIO，它是处理器和外部世界进行最直接电平交互的一类基础外设。比如：

• 点亮一个 LED；
• 检测一个按键是否按下；
• 控制一个继电器吸合；
• 读取一个简单开关状态；

这些最基本的功能，通常都可以通过 GPIO 来完成。

之所以把 GPIO 作为硬件编程的入门对象，是因为它结构相对简单，但又足够典型。通过学会 GPIO 的控制方法，后面再去学习 UART、I2C、SPI、定时器等外设时，思路会顺畅很多。

五、典型 GPIO 结构

要理解 GPIO 的编程方法，首先要理解它的结构。

从功能上看，我们通常希望 GPIO 做两类事：

输出功能：

比如控制 LED、继电器，只需要让 GPIO 输出高电平或低电平。

输入功能：

比如读取按键状态，只需要检测当前引脚电平是高还是低。

为了支持这两类功能，一个最基础的 GPIO 一般至少需要三类寄存器：

1. 方向控制寄存器

用于设置 GPIO 当前是输入模式还是输出模式。

因为一个引脚不可能同时既当输入又当输出，所以必须先配置方向。

2. 输出数据寄存器

用于存储 CPU 希望输出到引脚上的电平值。

如果 GPIO 处于输出模式，那么这个寄存器里的值就会影响引脚输出状态。

3. 输入数据寄存器

用于反映外部引脚当前实际电平状态。

如果 GPIO 处于输入模式，那么 CPU 就可以通过读取这个寄存器获知外部信号状态。

从抽象上看，可以把它理解成三部分：

• R1：方向/输出使能控制寄存器
• R2：输出状态/数据寄存器
• R3：输入状态/数据寄存器

这就是最典型的 GPIO 结构。

六、GPIO 往往不是"一个引脚"，而是一组引脚

严格来说，我们平时说"一个 GPIO"，很多时候其实说的是一组引脚资源。

例如一个 8 位 GPIO 端口，可能有：

8 位方向控制
8 位输出值
8 位输入值

那么对应的寄存器通常也会是按位管理的：

OE[7:0]：每一位控制对应引脚是否输出
WDATA[7:0]：每一位控制对应引脚输出什么值
RDATA[7:0]：每一位反映对应引脚当前输入状态

这样 CPU 只要通过读写这些寄存器，就能统一管理一组 GPIO 引脚。

这也是为什么在寄存器编程中，经常会遇到"改某一位不影响其他位"的问题，因为多个引脚常常共用同一个 32 位寄存器。

七、增强型 GPIO 结构

在实际芯片中，GPIO 通常不只是"方向 + 输入 + 输出"这么简单。为了提高使用效率和扩展功能，很多芯片厂家会在基础结构上增加一些增强功能。

1. 置位/清零寄存器

假设一个 8 位输出寄存器中，只想把 bit2 置为 1，而不影响其他位，那么最基本的做法通常是：

• 先读出整个寄存器值；
• 修改目标位；
• 再把修改后的值写回去。

例如：

value = value | (1 << 2);

同样，如果想把 bit3 清零，也要进行读-改-写操作。

这种方法虽然通用，但缺点也明显：

• 写法繁琐；
• 编译后指令更多；
• 执行效率较低；
• 高频翻转场景下不够高效。

因此很多 MCU 或 SoC 都会额外设计专门的 SET 寄存器 和 CLR 寄存器。

只需要向对应位写 1，就能实现置位或清零，而不会影响其他位。

这本质上是：

用更复杂一点的硬件设计，换取更简单、更高效的软件控制。

2. 中断屏蔽寄存器

在一些输入场景中，CPU 需要对外部电平变化快速响应。比如按键触发、中断检测、边沿检测等。

这时就需要 GPIO 具备触发中断的能力。

但并不是 GPIO 的每一位都需要开中断，因此通常会设计一个 中断屏蔽寄存器，用来决定哪些位允许产生中断请求，哪些位禁止产生中断。

这也是后续学习 GPIO 中断编程时的重要基础。

八、Zynq7000 的 GPIO 结构特点

Zynq7000 作为一款 SoC FPGA，其 GPIO 结构比最基础的 GPIO 模型更完整、更实用。资料中提到，可以在 Zynq 官方技术参考手册 UG585 中查看其 GPIO 功能框图和相关寄存器说明。

对学习者来说，当前阶段不必一开始就把所有 GPIO 寄存器全部背下来，更重要的是先建立这样的认识：

• Zynq 的 GPIO 仍然符合"方向控制 + 数据控制 + 输入读取"的基本思想；
• 同时它还提供了中断、掩码写入等更高效的控制机制；
• 真正编程时，需要结合数据手册和头文件来确定寄存器地址、偏移和功能。

九、GPIO 控制的基本编程思路

无论是控制 LED，还是读取按键，GPIO 编程大体都可以归纳成两部分：

• 初始化
  初始化阶段要根据场景完成对应设置，例如：
• 设置方向；
• 设置输出使能；
• 是否开启中断；
• 中断类型如何配置；
• 是否需要关闭无关中断。

2. 工作阶段

初始化完成后，GPIO 进入实际工作阶段：

如果是输入型应用：

• 不开中断时，程序轮询读取输入寄存器；
• 开中断时，编写中断处理函数响应输入变化。
  如果是输出型应用：
• 通过数据寄存器或快速置位/清零寄存器修改输出值。

可以看到，不管外设多复杂，思路其实都很统一：

先初始化，再运行控制。

十、输出型 GPIO 场景：使用 GPIO 控制 LED

资料中给出的典型例子是：在 ACZ702 开发板上，PS 端 LED 连接到 Zynq 的 MIO7 引脚。

当 MIO7 输出高电平时，LED 点亮；当 MIO7 输出低电平时，LED 熄灭。

这是一个非常典型的单输出型应用场景。

在这个场景下，我们只需要控制 GPIO 输出高低电平即可，不需要用到输入检测和中断触发，因此它是最适合入门的例子。

十一、LED 控制场景下的初始化思路

1. 关闭中断
   因为本实验只要求 LED 亮灭控制，并不需要 GPIO 产生中断，所以在初始化时应该先关闭对应 GPIO 位的中断功能。

资料中提到，对于 Zynq GPIO，可以通过 INT_DIS 寄存器对某一位写 1 的方式，禁止该位产生中断请求。对于 MIO7，对应的控制思路就是让 bit7 的中断处于关闭状态。

这一步的意义在于：

把当前场景下"不需要的功能"先关掉，避免系统出现多余行为。

2. 设置方向

LED 是被 CPU 驱动的，所以 GPIO 必须工作在输出模式。

这意味着方向寄存器中对应 bit7 必须配置为输出。

3. 设置输出使能

仅有方向为输出还不够，还需要让输出驱动真正被使能。

在 Zynq GPIO 中，输出相关控制通常还涉及 OUTEN 寄存器，因此初始化时需要让 bit7 的输出使能打开。

也就是说，点亮 LED 的最基础初始化逻辑其实就是：

• 关闭中断；
• 设置方向为输出；
• 打开输出使能。