深入了解树莓派RP2040的可编程IOs（PIO）

由于RP2040微处理器驱动树莓派Pico开发板的普及，使得很多人都想了解更多关于该板和芯片的信息。因此，今天我们将讨论RP2040的可编程IO，这一特性使其与其他大多数微控制器板不同。

RP2040中的两个PIO（PIO模式是一种通过CPU执行I/O端口指令来进行数据的读写的数据交换模式）块或我们称之为硬件接口都有四个状态机（由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作、完成特定操作的控制中心）。这两个PIO块可以同时执行程序来操纵GPIO并传输原始数据。

现在，这些状态机做什么？

PIO状态机执行从各种来源获取的程序。有时程序取自PIO库（UART，SPI或I2C）或用户软件。

为什么要使用可编程I / O？

通常，所有开发板都带有对 I2C、SPI 和 UART 等数字通信协议的硬件支持。但是，如果你计划使用的这些接口多于开发板可用的接口，你就可以使用RP2040微处理器中提供的可编程IO。

它的功能超乎人们的想象。假设你想输出一个DPI视频或“与全球速卖通上找到的串行设备通信”现在可以通过可编程I/O实现。顾名思义，“可编程”IO表明它可以直接编程支持SD卡接口、VGA输出和更高的速度数据传输在内的接口。

接下来是文章中最激动人心的部分——“如何对这些可编程I/O进行编程以简化你的工作”。

如何开始RP2040 PIO编程？

Pico SDK（软件开发工具包）提供了在C、C ++或Arm汇编语言中为基于RP2040的设备（如树莓派 Pico）编写程序所必需的头文件、库和构建系统。

如果你打算使用Python进行编码，则只需要在开发板上安装合适的编辑器（如Thonny）和MicroPython。但是对于C / C ++，您则需要CMake文件来告诉Pico SDK如何将C文件转换为基于RP2040的微处理器开发板的二进制应用程序，正如我们最近在树莓派 Pico的MicroPython和C教程中解释的那样。

PIO汇编器解析PIO源文件并输出组装后的包含在RP2040应用程序中的汇编版本。这包括基于Pico SDK构建的C和C ++应用程序以及在RP2040 MicroPython端口上运行的Python程序。

为开始给你的PIO应用程序编写状态机，有三个基于C / C ++程序的组件。

一个PIO程序。
基于C语言的软件运行显示。
一个CMake文件，描述了如何将二者组合成程序映像以加载到基于RP2040的开发板上。

PIO汇编指令

当对这些IO接口进行编程时，有9条汇编指令“ JMP、WAIT、IN、OUT、PUSH、PULL、MOV、IRQ和SET”。虽然大多数人可能对使用C / C ++或Python语言对PIO接口进行编程感兴趣，但让我们看看用于IO接口的一些汇编语言指令。

JMP：此“跳转”指令可以是条件语句或非条件语句。在此，它通过更改指令指针寄存器来传输执行流程。简而言之，使用“ jmp”语句，执行流程进入代码的另一部分。
WAIT：该指令会暂停代码的执行。每条指令需要一个周期，除非被停止（使用WAIT指令）。
OUT：该指令将数据从输出移位寄存器移至其他目标，每次1…32位。
PULL：该指令将32位字从TX FIFO传输到输出移位寄存器中。
IN：该指令一次将1…32位移入寄存器。
PUSH：该指令用于将ISR内容写入RX FIFO。

有关汇编语言说明的更多信息，请参见RP2040数据表。

C / C ++和MicroPython中的RP2040 PIO编程示例

为了简化操作，我们将研究hello_world程序，该程序使用可编程IO和TX FIFO的32位数据（PULL指令）使板载LED闪烁。

C / C ++中的程序如下所示：

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pio.h"
// Our assembled program:
#include "hello.pio.h"
 
int main() {
    // Choose which PIO instance to use (there are two instances)
    PIO pio = pio0;
 
    // Our assembled program needs to be loaded into this PIO's instruction
    // memory. This SDK function will find a location (offset) in the
    // instruction memory where there is enough space for our program. We need
    // to remember this location!
    uint offset = pio_add_program(pio, &hello_program);
 
    // Find a free state machine on our chosen PIO (erroring if there are
    // none). Configure it to run our program, and start it, using the
    // helper function we included in our .pio file.
    uint sm = pio_claim_unused_sm(pio, true);
    hello_program_init(pio, sm, offset, PICO_DEFAULT_LED_PIN);
 
    // The state machine is now running. Any value we push to its TX FIFO will
    // appear on the LED pin.
    while (true) {
        // Blink
        pio_sm_put_blocking(pio, sm, 1);
        sleep_ms(500);
        // Blonk
        pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0);
        sleep_ms(500);
    }
}

#include "pico/stdlib.h"

#include "hardware/pio.h"

// Our assembled program:

#include "hello.pio.h"

int main() {

// Choose which PIO instance to use (there are two instances)

PIO pio = pio0;

// Our assembled program needs to be loaded into this PIO's instruction

// memory. This SDK function will find a location (offset) in the

// instruction memory where there is enough space for our program. We need

// to remember this location!

uint offset = pio_add_program(pio, &hello_program);

// Find a free state machine on our chosen PIO (erroring if there are

// none). Configure it to run our program, and start it, using the

// helper function we included in our .pio file.

uint sm = pio_claim_unused_sm(pio, true);

hello_program_init(pio, sm, offset, PICO_DEFAULT_LED_PIN);

// The state machine is now running. Any value we push to its TX FIFO will

// appear on the LED pin.

while (true) {

// Blink

pio_sm_put_blocking(pio, sm, 1);

sleep_ms(500);

// Blonk

pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0);

sleep_ms(500);

}

上述的C / C ++代码以1秒的完整周期闪烁LED。对LED进行编程的方式是：先点亮500毫秒，然后熄灭500毫秒。但是，在状态机可以运行程序之前，我们需要将程序加载到该指令存储器中。“函数pio_add_program()在给定的PIO的指令存储器中查找程序的可用空间，并将其加载。” 这样，我们将状态机配置为将其数据输出到板载LED。

如下所示的.pio文件的汇编代码包含了设置C / C ++代码的所有C助手函数。

.program hello
loop:
    pull
    out pins, 1
    jmp loop
 
% c-sdk {
 
static inline void hello_program_init(PIO pio, uint sm, uint offset, uint pin) {
    pio_sm_config c = hello_program_get_default_config(offset);
 
    // Map the state machine's OUT pin group to one pin, namely the `pin`
    // parameter to this function.
    sm_config_set_out_pins(&c, pin, 1);
    // Set this pin's GPIO function (connect PIO to the pad)
    pio_gpio_init(pio, pin);
    // Set the pin direction to output at the PIO
    pio_sm_set_consecutive_pindirs(pio, sm, pin, 1, true);
 
    // Load our configuration, and jump to the start of the program
    pio_sm_init(pio, sm, offset, &c);
    // Set the state machine running
    pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);
}
%}

.program hello

loop:

pull

out pins, 1

jmp loop

% c-sdk {

static inline void hello_program_init(PIO pio, uint sm, uint offset, uint pin) {

pio_sm_config c = hello_program_get_default_config(offset);

// Map the state machine's OUT pin group to one pin, namely the `pin`

// parameter to this function.

sm_config_set_out_pins(&c, pin, 1);

// Set this pin's GPIO function (connect PIO to the pad)

pio_gpio_init(pio, pin);

// Set the pin direction to output at the PIO

pio_sm_set_consecutive_pindirs(pio, sm, pin, 1, true);

// Load our configuration, and jump to the start of the program

pio_sm_init(pio, sm, offset, &c);

// Set the state machine running

pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);

}

除此以外，你还需要一个CMake文件来描述如何将.pio和.c文件构建成二进制文件，以便加载到你的树莓派Pico开发板上。

在没有使用MicroPython编写相同示例的基础上，我们可以看到一个更简单的、用于板载LED闪烁的PIO MicroPython代码：

import time
from rp2 import PIO, asm_pio
from machine import Pin
 
# Define the blink program.  It has one GPIO to bind to on the set instruction, which is an output pin.
# Use lots of delays to make the blinking visible by eye.
@asm_pio(set_init=rp2.PIO.OUT_LOW)
def blink():
    wrap_target()
    set(pins, 1)   [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    set(pins, 0)   [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    wrap()
 
# Instantiate a state machine with the blink program, at 1000Hz, with set bound to Pin(25) (LED on the rp2 board)
sm = rp2.StateMachine(0, blink, freq=1000, set_base=Pin(25))
 
# Run the state machine for 3 seconds.  The LED should blink.
sm.active(1)
time.sleep(3)
sm.active(0)

import time

from rp2 import PIO, asm_pio

from machine import Pin

# Define the blink program. It has one GPIO to bind to on the set instruction, which is an output pin.

# Use lots of delays to make the blinking visible by eye.

@asm_pio(set_init=rp2.PIO.OUT_LOW)

def blink():

wrap_target()

set(pins, 1) [31]

nop() [31]

set(pins, 0) [31]

nop() [31]

wrap()

# Instantiate a state machine with the blink program, at 1000Hz, with set bound to Pin(25) (LED on the rp2 board)

sm = rp2.StateMachine(0, blink, freq=1000, set_base=Pin(25))

# Run the state machine for 3 seconds. The LED should blink.

sm.active(1)

time.sleep(3)

sm.active(0)

在这个示例中没有单独的.pio文件，且MicroPython和汇编代码都放置在.py文件中。

值得注意的是，虽然可以使用MicroPython对PIO进行编程，但Python SDK文档也指出它目前不稳定/正在开发中，因此建议使用C / C ++。

通过在RGB十六进制格式的帮助下添加要显示的颜色，可以对代码进行许多修改。然而，有很多现实生活中的示例，如PWM、UART甚至与NeoPixels的接口。对感兴趣的人而言，便可以在GitHub的C和MicroPython示例库中找到许多PIO编程示例。

结论

RP2040可编程IO能够同时执行程序以支持VGA输出和高速数据传输等接口。你可以查看C / C ++和Python的SDK文档中的第3章，以了解有关RP2040可编程IO的更多信息。

Nicholas Dong 董巷

文章翻译者：Nicholas，技术支持工程师、瑞科慧联（RAK）高级工程师，深耕嵌入式开发技术、物联网行业多年，拥有丰富的行业经验和新颖独到的眼光！

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