ARM裸机开发（4）GPIO与LED/按键驱动详解——引脚复用与电气特性配置

前言

GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）是嵌入式开发中最基础的外设。本文将详细讲解 i.MX6ULL 的 GPIO 体系结构，包括引脚复用（IOMUX）、电气特性配置、以及如何驱动LED和读取按键。

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一、i.MX6ULL GPIO 体系结构

1.1 GPIO 模块结构

i.MX6ULL 的 GPIO 由两部分组成：

引脚（Pad）
    │
    ├── IOMUX（引脚复用选择）──→ 选择该引脚用作GPIO/UART/SPI等功能
    │
    └── GPIO模块
         ├── GDIR（方向寄存器）──→ 输入/输出
         ├── DR（数据寄存器）──→ 读/写电平
         ├── PSR（引脚状态寄存器）──→ 读取实际引脚电平
         ├── ICR1/ICR2（中断配置寄存器）──→ 中断触发方式
         └── IMR（中断屏蔽寄存器）──→ 使能/屏蔽中断

1.2 GPIO 端口与引脚编号

i.MX6ULL 有 GPIO1 ~ GPIO5 共5组GPIO，每组最多32个引脚：

• GPIO1_IO00 ~ GPIO1_IO31
• GPIO2_IO00 ~ GPIO2_IO31
• GPIO3_IO00 ~ GPIO3_IO31
• GPIO4_IO00 ~ GPIO4_IO31
• GPIO5_IO00 ~ GPIO5_IO31

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二、引脚复用配置（IOMUX）

2.1 为什么需要引脚复用？

i.MX6ULL 的引脚数量有限（通常只有几百个），但功能很多（UART、SPI、I2C、GPIO等）。为了节省引脚，一个物理引脚可以复用为多种功能。

例如，UART1_TX_DATA 引脚可以配置为：

• 功能1：UART1发送
• 功能2：GPIO1_IO16
• 功能3：其他外设功能

2.2 引脚复用配置代码

以LED引脚（GPIO1_IO03）为例：

void led_init(void)
{  
    // 1. 配置引脚复用：将GPIO1_IO03配置为GPIO功能
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0);
    
    // 2. 配置引脚电气特性
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0x1079);
    
    // 3. 配置GPIO方向：输出
    GPIO1->GDIR |= (1 << 3);
    
    // 4. 初始输出高电平（LED熄灭）
    GPIO1->DR |= (1 << 3);
}

2.3 IOMUXC_SetPinMux 函数

IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0);

参数说明：

• 第一个参数：引脚复用选择宏，定义在 fsl_iomuxc.h 中
  • IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03 表示将 GPIO1_IO03 引脚配置为 GPIO 功能
  • IOMUXC_UART1_TX_DATA_UART1_TX 表示将该引脚配置为 UART1 发送功能
• 第二个参数：输入模式配置（0表示使用默认配置）

内部实现： 该函数会配置 IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_xxx 寄存器，选择引脚的复用功能。

2.4 IOMUXC_SetPinConfig 函数

IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0x1079);

参数 0x1079 的含义： 配置 IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_xxx 寄存器，控制引脚的电气特性。

0x1079 = 0001 0000 0111 1001

位[16]    = 0  : HYS（迟滞）= 禁用
位[15:14] = 00 : PUS（上拉/下拉选择）= 100KΩ下拉
位[13]    = 0  : PUE（上下拉/保持器选择）= 使用上下拉
位[12]    = 1  : PKE（上下拉/保持器使能）= 使能
位[11]    = 0  : ODE（开漏使能）= 禁用
位[10:8]  = 000: 保留
位[7:6]   = 01 : SPEED（速度）= 100MHz
位[5:3]   = 111: DSE（驱动强度）= R0/6（最大驱动能力）
位[2:1]   = 00 : SRE（压摆率）= 快速
位[0]     = 1  : 保留

常用电气特性配置值：

配置值	说明	适用场景
0x1079	100MHz速度，最大驱动强度，上拉	GPIO输出（LED）
0x5000	禁用上下拉，输入模式	GPIO输入（按键）
0x10B0	UART引脚配置	UART TX/RX

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三、GPIO 通用驱动 (gpio.c)

3.1 GPIO 方向配置

void gpio_init(GPIO_Type * gpio, int n, dir_t dir)
{
    if(GPIO_INPUT == dir)
    {
        gpio->GDIR &= ~(1 << n);   // 清除第n位：配置为输入
    }
    else
    {
        gpio->GDIR |= (1 << n);    // 设置第n位：配置为输出
        gpio->DR |= (0 << n);      // 初始输出低电平
    }
}

GDIR寄存器（GPIO Direction Register）：

• 位n = 0：第n个引脚配置为输入
• 位n = 1：第n个引脚配置为输出

3.2 GPIO 输出控制

void gpio_set_value(GPIO_Type * gpio, int n, int value)
{
    if(value)
    {
        gpio->DR |= (1 << n);      // 输出高电平
    }     
    else
    {
        gpio->DR &= ~(1 << n);     // 输出低电平
    }
}

DR寄存器（GPIO Data Register）：

• 写操作：设置输出电平
• 读操作：读取输出锁存器的值（不一定等于实际引脚电平）

3.3 GPIO 输入读取

int gpio_get_value(GPIO_Type * gpio, int n)
{
    return ((gpio->DR) & (1 << n)) ? 1 : 0;
}

注意： 这里读取的是DR寄存器，实际上应该读取PSR（Pin Status Register）来获取引脚的实际电平。但在输入模式下，DR寄存器会反映引脚的实际状态。

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四、LED 驱动 (led.c)

4.1 LED 初始化

void led_init(void)
{  
    // 1. 引脚复用：GPIO1_IO03 作为 GPIO 功能
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0);
    
    // 2. 电气特性：100MHz速度，最大驱动强度
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0x1079);
    
    // 3. 方向：输出
    GPIO1->GDIR |= (1 << 3);
    
    // 4. 初始值：高电平（LED熄灭，假设低电平点亮）
    GPIO1->DR |= (1 << 3);
}

4.2 LED 控制函数

void led_on(void)
{
    GPIO1->DR &= ~(1 << 3);   // 输出低电平 → LED点亮
}

void led_off(void)
{
    GPIO1->DR |= (1 << 3);    // 输出高电平 → LED熄灭
}

void led_nr(void)
{
    GPIO1->DR ^= (1 << 3);    // 翻转电平 → LED状态取反
}

电路原理：

• LED 阳极接 3.3V，阴极通过限流电阻接 GPIO
• GPIO 输出低电平时，电流从 3.3V 流过 LED 到 GPIO，LED 点亮
• GPIO 输出高电平时，LED 两端无电压差，LED 熄灭

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五、按键驱动 (key.c)

5.1 按键初始化

void key_init(void)
{  
    // 1. 引脚复用：UART1_CTS_B 引脚配置为 GPIO 功能
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);
    
    // 2. 电气特性：禁用上下拉（按键外部已有上下拉电阻）
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0x5000);
    
    // 3. 方向：输入
    gpio_init(GPIO1, 18, GPIO_INPUT);

    // 4. 配置中断：双边沿触发（按下和释放都触发中断）
    GPIO1->ICR2 |= (0x3 << 4);   // GPIO1_IO18 的中断配置
    GPIO1->IMR |= (1 << 18);     // 使能 GPIO1_IO18 的中断
}

5.2 引脚复用说明

IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);

这行代码将 UART1_CTS_B （UART1的流控引脚）复用为 GPIO1_IO18。

• 这是一个引脚复用的例子：原本用于UART流控的引脚，现在用作GPIO输入
• 在实际产品中，如果不使用UART流控功能，这个引脚可以复用为GPIO

5.3 电气特性配置

IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0x5000);

0x5000 的含义：

0x5000 = 0101 0000 0000 0000

位[16]    = 0  : HYS（迟滞）= 禁用
位[15:14] = 01 : PUS（上拉/下拉选择）= 100KΩ上拉
位[13]    = 0  : PUE = 使用上下拉
位[12]    = 1  : PKE = 使能上下拉
位[11]    = 0  : ODE = 禁用开漏

为什么按键引脚要配置上拉？

• 按键未按下时，GPIO读到高电平（通过上拉电阻）
• 按键按下时，GPIO读到低电平（按键将引脚接地）
• 这样可以通过读取GPIO电平判断按键状态

5.4 中断配置

// 配置中断触发方式
GPIO1->ICR2 |= (0x3 << 4);   // GPIO1_IO18：双边沿触发

// 使能中断
GPIO1->IMR |= (1 << 18);     // 使能 GPIO1_IO18 的中断屏蔽

ICR2寄存器（Interrupt Configuration Register 2）：

• 每个引脚占2位，配置中断触发方式
• 00 = 低电平触发
• 01 = 高电平触发
• 10 = 上升沿触发
• 11 = 下降沿触发

IMR寄存器（Interrupt Mask Register）：

• 位n = 1：使能第n个引脚的中断
• 位n = 0：屏蔽第n个引脚的中断

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六、GPIO 中断状态寄存器

6.1 ISR寄存器（Interrupt Status Register）

当中断发生时，对应的ISR位会被置1。必须手动清除该位，否则中断会持续触发。

// 在中断处理函数中清除中断标志
GPIO1->ISR |= (1 << 18);   // 清除 GPIO1_IO18 的中断标志

注意： 写1清除（W1C），不是写0清除。

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七、总结

功能	寄存器	操作
引脚复用	IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_xxx	SetPinMux()
电气特性	IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_xxx	SetPinConfig()
方向控制	GDIR	0=输入，1=输出
输出控制	DR	写0/写1控制电平
输入读取	DR/PSR	读取引脚电平
中断触发方式	ICR1/ICR2	低/高电平，上升/下降沿
中断使能	IMR	使能/屏蔽中断
中断状态	ISR	W1C清除中断标志

GPIO 是所有外设的基础，理解了GPIO的配置方法，后面的UART、SPI、I2C等外设的引脚配置都是同样的套路。