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赛灵思ZYNQ官方文档UG585自学翻译笔记：General Purpose I/O (GPIO)通用输入 / 输出，LED控制亮灭，按键控制，中断控制

backend 2025/8/12 4:43:06

该文档主要围绕 Zynq-7000 AP SoC 的通用目的 I/O（GPIO）展开，内容如下：

ZYNQ GPIO 相关技术文档总结

一、GPIO 概述

（一）基本定义

GPIO（General Purpose I/O，通用输入输出）是 ZYNQ 芯片中用于实现外部设备与芯片间数据交互的重要接口。它允许软件通过编程控制引脚的输入、输出状态，以及检测中断信号，广泛应用于各类电子系统中对外部设备的控制与状态监测。

在 ZYNQ 系列芯片中，GPIO 主要分为两类：一类是集成在 PS（Processing System，处理系统）中的硬核 GPIO，另一类是通过 PL（Programmable Logic，可编程逻辑）实现的 AXI GPIO 软核。硬核 GPIO 通过 MIO（Multiplexed I/O，多路复用 IO）和 EMIO（Extended MIO，扩展 MIO）与外部连接，而 AXI GPIO 则是基于 AXI 协议在 PL 端实现的通用输入输出接口。

（二）核心功能

引脚控制：支持对多个引脚进行独立的输入、输出配置，满足不同外部设备的连接需求。
中断检测：可配置为电平敏感（高电平或低电平）或边沿敏感（上升沿、下降沿或双边沿），实现对外部事件的实时响应。
数据读写：通过寄存器操作实现对引脚状态的读取和输出值的设置，支持批量操作以提高效率。
扩展功能：当 PS 端引脚不足时，可通过 EMIO 扩展 PL 端的 IO 资源，或使用 AXI GPIO 进一步扩展接口。

二、MIO 与 EMIO

（一）MIO

定义：MIO 是 PS 端的多路复用 IO，将 PS 外设和静态存储器接口的访问多路复用到 PS 引脚上，可直接连接外部设备。
特点：
- 属于硬核资源，直接集成在 PS 中。
- Zynq-7000 系列最多支持 54 个 MIO 引脚，MPSoC 系列则根据型号不同有所差异（如部分型号支持 78 个 MIO 引脚）。
- 每个 MIO 引脚可通过配置寄存器选择不同的功能，如作为 GPIO、UART、SPI 等接口。
分组情况（以 Zynq-7000 为例）：
- Bank0：32 位，控制 MIO 引脚 [31:0]。
- Bank1：22 位，控制 MIO 引脚 [53:32]（因总共有 54 个 MIO 引脚，故 Bank1 为 22 位）。
应用场景：适用于直接连接外部简单设备，如 LED、按键、传感器等，无需经过 PL 端，响应速度较快。

（二）EMIO

定义：EMIO 是扩展的 MIO，当 PS 端的 MIO 引脚不足时，用于扩展 PL 端的 IO 资源，实现 PS 与 PL 之间的接口扩展。
特点：
- 属于 PS 与 PL 之间的接口，通过 PL 端的 IO 引脚实现扩展。
- Zynq-7000 系列支持 192 个 EMIO 信号（64 个输入、128 个输出），MPSoC 系列支持更多（如部分型号支持 96 个 EMIO 信号）。
- 输出不支持三态，不受 OEN（输出使能）寄存器影响，其输出使能由 DIRM（方向模式）和 OEN 寄存器共同控制，即 EMIOGPIOTN [x] = DIRM [x] & OEN [x]。
分组情况（以 Zynq-7000 为例）：
- Bank2：32 位，控制 EMIO 信号 [31:0]。
- Bank3：32 位，控制 EMIO 信号 [63:32]。
应用场景：当 PS 端引脚不足以连接所有外部设备时，通过 EMIO 扩展 PL 端的 IO 资源，适用于需要较多接口的场景。

（三）MIO 与 EMIO 的区别

对比项	GPIO（MIO 对应的硬核 GPIO）	EMIO
资源类型	硬核（集成在 PS 中）	PS 与 PL 的接口扩展（依赖 PL 资源）
连接 I/O	直接连接 PS 引脚	连接 PL 引脚
三态支持	MIO 输出支持三态	EMIO 输出不支持三态
独立性	MIO 与 EMIO 的 I/O 无直接连接，各自独立工作	/

三、AXI GPIO

（一）基本概念

AXI GPIO 是 ZYNQ PL 部分的 IP 软核，通过 AXI 协议与 PS 进行通信，实现通用输入输出接口功能。它不依赖 PS 端的硬核资源，而是完全由 PL 端的逻辑资源实现。

（二）与硬核 GPIO 的区别

对比项	硬核 GPIO（MIO/EMIO）	AXI GPIO
资源类型	硬核（PS 端）	软核（PL 端资源实现）
连接 I/O	可连接 PS IO（MIO）或 PL IO（EMIO）	只能连接 PL 端 IO
通信协议	通过 APB 总线控制	通过 AXI4-Lite 协议与 PS 通信
灵活性和可扩展性	较低（引脚数量和功能受硬件限制）	较高（可根据需求配置通道数和位宽）

（三）主要特性

支持 AXI4-Lite 接口配置，适用于低速、简单的存储器映射通信。
可配置为单通道或双通道模式，每个通道支持 1~32 位的数据位宽。
支持动态配置每个通道为输入或输出，满足不同的数据传输需求。
支持单独配置每个通道，可独立设置中断等功能。
支持产生中断请求信号，可配置为电平或边沿敏感，实现对外部事件的响应。

（四）结构框图

AXI GPIO 的结构框图主要包含以下部分（结合文档中图片描述）：

AXI 接口模块：实现与 PS 端的 AXI4-Lite 协议通信，包括地址、数据、控制信号的交互。
寄存器组：用于配置 GPIO 的方向、输出值、中断参数等，如 DATA（数据寄存器）、DIRM（方向寄存器）、INT_TYPE（中断类型寄存器）等。
输入 / 输出缓冲：用于接收外部输入信号和输出内部数据，实现与 PL 端 IO 引脚的连接。
中断逻辑：根据配置检测输入信号的电平或边沿变化，产生中断请求信号并发送给中断控制器。

四、GPIO 寄存器详解

（一）数据读写相关寄存器

DATA_RO（数据读出寄存器）：
- 功能：用于观测器件引脚的状态，无论 GPIO 被配置为输入还是输出，均可读取引脚的当前值。
- 特性：只读寄存器，写入操作被忽略。若引脚未配置为 GPIO，则其值不可预测。
DATA（数据写入寄存器）：
- 功能：当 GPIO 被配置为输出时，用于设置引脚的输出值。
- 特性：32 位寄存器，写入时一次性写入所有位；读取时返回之前写入的值（非引脚当前值）。
MASK_DATA_LSW（低 16 位带屏蔽数据寄存器）：
- 功能：实现对低 16 位输出值的选择性修改，未被屏蔽的位可被更新，屏蔽位保持原值。
- 特性：避免了对未修改位的读 - 改 - 写操作，提高效率；读取时返回之前写入的值。
MASK_DATA_MSW（高 16 位带屏蔽数据寄存器）：
- 功能：与 MASK_DATA_LSW 类似，用于对高 16 位输出值的选择性修改。

（二）I/O 缓冲控制寄存器

DIRM（方向模式寄存器）：
- 功能：控制 I/O 引脚的方向，即配置为输入或输出。
- 特性：每一位对应一个引脚，DIRM [x] = 1 时，引脚为输出；DIRM [x] = 0 时，引脚为输入（输出驱动禁用）。
OEN（输出使能寄存器）：
- 功能：当引脚被配置为输出时，控制输出是否使能。
- 特性：每一位对应一个引脚，OEN [x] = 1 时，输出使能；OEN [x] = 0 时，输出禁用（引脚为三态）。对于 MIO，若 TRI_ENABLE = 1，则 OEN 被忽略，输出强制为三态。

（三）中断控制寄存器

INT_MASK（中断掩码寄存器）：
- 功能：显示哪些引脚的中断被屏蔽（未启用）或未被屏蔽（已启用）。
- 特性：只读寄存器，每一位对应一个引脚，INT_MASK [x] = 1 时，中断被屏蔽；INT_MASK [x] = 0 时，中断未被屏蔽。
INT_EN（中断使能寄存器）：
- 功能：启用（解除屏蔽）指定引脚的中断。
- 特性：只写寄存器，写入 1 到某一位时，对应引脚的中断被启用；读取时返回值不可预测。
INT_DIS（中断禁用寄存器）：
- 功能：禁用（屏蔽）指定引脚的中断。
- 特性：只写寄存器，写入 1 到某一位时，对应引脚的中断被禁用；读取时返回值不可预测。
INT_STAT（中断状态寄存器）：
- 功能：显示哪些引脚发生了中断事件。
- 特性：可读可写（写 1 清除），INT_STAT [x] = 1 时，对应引脚发生中断；写入 1 到某一位时，清除该引脚的中断状态，写入 0 无效。
INT_TYPE（中断类型寄存器）：
- 功能：控制中断的敏感类型（电平敏感或边沿敏感）。
- 特性：每一位对应一个引脚，INT_TYPE [x] = 1 时，为边沿敏感；INT_TYPE [x] = 0 时，为电平敏感。
INT_POLARITY（中断极性寄存器）：
- 功能：控制中断的极性（高 / 低电平或上升 / 下降沿）。
- 特性：对于电平敏感，INT_POLARITY [x] = 1 时为高电平敏感，INT_POLARITY [x] = 0 时为低电平敏感；对于边沿敏感，INT_POLARITY [x] = 1 时为上升沿敏感，INT_POLARITY [x] = 0 时为下降沿敏感。
INT_ANY（双边沿中断寄存器）：
- 功能：当 INT_TYPE 为边沿敏感时，控制是否允许双边沿（上升沿和下降沿）触发中断。
- 特性：INT_ANY [x] = 1 时，允许双边沿触发；INT_ANY [x] = 0 时，仅允许指定的单边沿触发（由 INT_POLARITY 决定）。该寄存器在电平敏感时被忽略。

（四）寄存器地址映射

Zynq-7000 系列中，GPIO 控制和状态寄存器的存储器映射基地址为 0xE000_A000；MPSoC 系列中，基地址为 0xFF0A_0000。各寄存器在基地址上的偏移量可参考文档中的寄存器详细说明。

五、中断功能

（一）中断的基本概念

中断是指在 CPU 执行正常程序时，外部事件（如按键按下、传感器触发等）请求 CPU 暂停当前程序，转而处理该事件，处理完成后再返回原程序继续执行的机制。它能使 CPU 高效响应外部事件，无需持续轮询，提高系统效率。

（二）GPIO 中断的工作原理

结合文档中 GPIO 中断逻辑框图（如图 14-2 中中断部分），GPIO 中断的工作流程如下：

中断检测：中断检测逻辑持续监测 GPIO 输入信号，根据 INT_TYPE、INT_POLARITY 和 INT_ANY 寄存器的配置，判断是否发生中断事件（如上升沿、高电平等）。
中断状态设置：当检测到中断事件时，INT_STAT 寄存器中对应位被置 1，表示该引脚发生中断。
中断屏蔽判断：若该引脚的中断未被屏蔽（INT_MASK [x] = 0），则中断信号通过 OR 门合并为 IRQ #52，发送给中断控制器（GIC）。
中断处理：CPU 响应中断请求，执行对应的中断服务程序，处理完成后清除 INT_STAT 寄存器中的对应位（写 1 清除），并返回原程序。

（三）中断触发配置

不同的中断触发方式可通过寄存器组合配置，如下表所示（以 Zynq-7000 为例）：

触发类型	INT_TYPE	INT_POLARITY	INT_ANY
上升沿敏感	1	1	0
下降沿敏感	1	0	0
双边沿敏感	1	X（任意）	1
电平敏感（高电平）	0	1	X（任意）
电平敏感（低电平）	0	0	X（任意）

（四）中断配置步骤

配置引脚为输入：通过 DIRM 寄存器设置引脚为输入（DIRM [x] = 0）。
设置中断类型：通过 INT_TYPE 寄存器配置为电平或边沿敏感。
设置中断极性：通过 INT_POLARITY 寄存器配置中断的极性（高 / 低电平或上升 / 下降沿）。
配置双边沿中断（可选）：若为边沿敏感且需要双边沿触发，通过 INT_ANY 寄存器设置。
启用中断：通过 INT_EN 寄存器启用对应引脚的中断（写入 1 到对应位）。
处理中断：在中断服务程序中，通过读取 INT_STAT 寄存器判断中断源，处理完成后写 1 清除 INT_STAT 中的对应位。
禁用中断（可选）：若需关闭中断，通过 INT_DIS 寄存器禁用（写入 1 到对应位）。

六、实验设计

（一）MIO 控制 LED 灯实验

实验任务：使用 PS 端的 MIO 控制两个 LED 灯，实现 1 秒间隔的闪烁效果。
硬件设计：
- 原理图（结合文档中 LED 原理图描述）：LED 的阳极通过限流电阻（如 470Ω）连接到 PS 的 MIO 引脚，阴极接地。当 MIO 引脚输出高电平时，LED 点亮；输出低电平时，LED 熄灭。
- 系统框图（以 Zynq-7000 为例）：PS 通过 GPIO 模块控制 MIO 引脚，连接到 LED，同时 PS 与 DDR3 存储器连接用于程序运行，通过 UART 实现调试信息输出。
软件设计步骤：
- 初始化 GPIO：设置 MIO 引脚为输出（DIRM [x] = 1），并使能输出（OEN [x] = 1）。
- 循环控制 LED：在主循环中，通过 DATA 或 MASK_DATA 寄存器设置 MIO 引脚的输出值，使 LED 交替点亮和熄灭，每次切换后延时 1 秒。
- 延时函数：使用定时器或系统延时函数实现 1 秒的精确延时。

关键代码示例（伪代码）：

运行

// 初始化MIO引脚10和11为输出
XGpio_Config *ConfigPtr;
ConfigPtr = XGpio_LookupConfig(XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID);
XGpio_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddress);
XGpio_SetDataDirection(&Gpio, 1, 0xFFFFFBFF); // 引脚10和11为输出（bit10和bit11设为1）
XGpio_SetOutputEnable(&Gpio, 1, 0x00000600); // 使能输出while(1) {// 点亮LED（引脚10和11输出高电平）XGpio_DiscreteWrite(&Gpio, 1, 0x00000600);sleep(1); // 延时1秒// 熄灭LED（引脚10和11输出低电平）XGpio_DiscreteWrite(&Gpio, 1, 0x00000000);sleep(1);
}

（二）MIO 按键中断实验

实验任务：使用 GPIO 的 MIO 中断功能，通过按键控制 LED 灯的亮灭（按键按下时切换 LED 状态）。
硬件设计：
- 原理图（结合文档中按键原理图描述）：按键一端连接到 PS 的 MIO 引脚，另一端接地，同时引脚通过上拉电阻（如 10KΩ）连接到 3.3V。按键未按下时，引脚为高电平；按下时，引脚为低电平。LED 连接方式同前。
- 系统框图：PS 的 MIO 引脚连接按键和 LED，按键产生的中断信号通过 GPIO 模块发送到 GIC，再由 CPU 处理。
软件设计步骤：
- 初始化 GPIO 和中断：配置按键对应的 MIO 引脚为输入（DIRM [x] = 0），设置中断为下降沿敏感（INT_TYPE [x] = 1，INT_POLARITY [x] = 0，INT_ANY [x] = 0），启用中断（INT_EN [x] = 1）。
- 注册中断服务程序：将中断服务函数与 IRQ #52 绑定，当按键按下时触发中断服务程序。
- 中断服务程序：在程序中读取 INT_STAT 寄存器判断中断源，切换 LED 的状态（通过 DATA 寄存器修改输出值），清除中断状态（INT_STAT [x] = 1）。

关键代码示例（伪代码）：

运行

// 初始化中断
XScuGic_Config *GicConfig;
GicConfig = XScuGic_LookupConfig(XPAR_PS7_SCUGIC_0_DEVICE_ID);
XScuGic_CfgInitialize(&Gic, GicConfig, GicConfig->CpuBaseAddress);
Xil_ExceptionInit();
Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT, (Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler, &Gic);
Xil_ExceptionEnable();// 配置按键中断（引脚12）
XGpio_SetDataDirection(&Gpio, 1, 0xFFFFF0FF); // 引脚12为输入
XGpio_InterruptEnable(&Gpio, 0x00000800); // 启用引脚12中断
XGpio_InterruptGlobalEnable(&Gpio);
XScuGic_Connect(&Gic, XPAR_FABRIC_AXI_GPIO_0_IP2INTC_IRPT_INTR, (Xil_InterruptHandler)Key_InterruptHandler, &Gpio);
XScuGic_Enable(&Gic, XPAR_FABRIC_AXI_GPIO_0_IP2INTC_IRPT_INTR);// 中断服务程序
void Key_InterruptHandler(void *CallBackRef) {XGpio *GpioPtr = (XGpio *)CallBackRef;// 清除中断XGpio_InterruptClear(GpioPtr, 0x00000800);// 切换LED状态led_state ^= 0x00000600;XGpio_DiscreteWrite(GpioPtr, 1, led_state);
}

（三）EMIO 按键控制 LED 灯实验

实验任务：使用两个按键分别控制 PS 端的两个 LED 灯，其中一个按键通过 EMIO 扩展（连接到 PL 端 IO）。
硬件设计：
- 原理图：一个按键连接到 PS 的 MIO 引脚（直接控制），另一个按键连接到 PL 的 IO 引脚（通过 EMIO 扩展），LED 连接到 PS 的 MIO 引脚。
- 系统框图（以 Zynq-7000 为例）：PS 通过 EMIO 接口连接 PL 端的按键，PS 的 MIO 引脚连接另一个按键和 LED，PS 与 PL 之间通过 EMIO 实现通信。
软件设计步骤：
- 初始化 MIO 和 EMIO：配置 MIO 按键引脚为输入，EMIO 按键引脚为输入（DIRM [x] = 0），LED 引脚为输出（DIRM [x] = 1，OEN [x] = 1）。
- 轮询按键状态：在主循环中，通过 DATA_RO 寄存器读取 MIO 和 EMIO 按键的状态（低电平表示按下）。
- 控制 LED：根据按键状态控制 LED 的亮灭（如 MIO 按键按下时点亮 LED1，EMIO 按键按下时点亮 LED2）。

关键代码示例（伪代码）：

运行

// 初始化EMIO引脚（Bank2，引脚0）为输入
XGpio_SetDataDirection(&Gpio, 2, 0xFFFFFFFE); // EMIO引脚0为输入while(1) {// 读取MIO按键（引脚10）状态mio_key = XGpio_DiscreteRead(&Gpio, 1) & 0x00000400;// 读取EMIO按键（Bank2，引脚0）状态emio_key = XGpio_DiscreteRead(&Gpio, 2) & 0x00000001;// 控制LEDif (mio_key == 0) { // MIO按键按下XGpio_DiscreteWrite(&Gpio, 1, 0x00000400); // 点亮LED1} else {XGpio_DiscreteWrite(&Gpio, 1, 0x00000000); // 熄灭LED1}if (emio_key == 0) { // EMIO按键按下XGpio_DiscreteWrite(&Gpio, 1, 0x00000800); // 点亮LED2} else {XGpio_DiscreteWrite(&Gpio, 1, 0x00000000); // 熄灭LED2}
}

（四）AXI GPIO 按键控制 LED 实验

实验任务：通过调用 AXI GPIO IP 核，使用中断机制实现 PL 端按键控制 PS 端 LED 灯的亮灭。
硬件设计：
- 系统框图（以 Zynq-7000 为例）：PS 通过 AXI4-Lite 总线连接 AXI GPIO IP 核，AXI GPIO 连接 PL 端的按键和 LED，中断信号从 AXI GPIO 发送到 GIC。
- IP 核配置：AXI GPIO 配置为双通道，通道 1 连接按键（输入），通道 2 连接 LED（输出），启用通道 1 的中断功能。
软件设计步骤：
- 初始化 AXI GPIO：配置通道 1 为输入（按键），通道 2 为输出（LED），设置通道 1 的中断为下降沿敏感。
- 配置中断：将 AXI GPIO 的中断信号连接到 GIC，注册中断服务程序，启用中断。
- 中断服务程序：当按键按下时，中断触发，程序中读取按键状态，控制 LED 的亮灭（如切换状态），清除中断标志。

关键代码示例（伪代码）：

运行

// 初始化AXI GPIO
XAxiGpio_Config *AxiGpioConfig;
AxiGpioConfig = XAxiGpio_LookupConfig(XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID);
XAxiGpio_CfgInitialize(&AxiGpio, AxiGpioConfig, AxiGpioConfig->BaseAddress);
XAxiGpio_SetDataDirection(&AxiGpio, 1, 0xFFFFFFFF); // 通道1为输入（按键）
XAxiGpio_SetDataDirection(&AxiGpio, 2, 0x00000000); // 通道2为输出（LED）// 配置中断
XAxiGpio_InterruptEnable(&AxiGpio, XAXIGPIO_IRQ_ALL_MASK);
XAxiGpio_InterruptGlobalEnable(&AxiGpio);
XScuGic_Connect(&Gic, XPAR_FABRIC_AXI_GPIO_0_IP2INTC_IRPT_INTR, (Xil_InterruptHandler)AxiGpio_InterruptHandler, &AxiGpio);
XScuGic_Enable(&Gic, XPAR_FABRIC_AXI_GPIO_0_IP2INTC_IRPT_INTR);// 中断服务程序
void AxiGpio_InterruptHandler(void *CallBackRef) {XAxiGpio *AxiGpioPtr = (XAxiGpio *)CallBackRef;// 清除中断XAxiGpio_InterruptClear(AxiGpioPtr, XAXIGPIO_IRQ_ALL_MASK);// 切换LED状态led_state ^= 0x00000001;XAxiGpio_DiscreteWrite(AxiGpioPtr, 2, led_state);
}

七、系统功能与接口

（一）时钟

时钟源：GPIO 控制器由 APB 接口的 CPU_1x 时钟驱动，所有输出和输入采样均使用该时钟。
时钟管理：为实现电源管理，可通过 slcr.APER_CLK_CTRL 寄存器中的 GPIO_CPU_1XCLKACT 位对 GPIO 控制器时钟进行门控（开启或关闭时钟）。

（二）复位

GPIO 控制器由 slcr.GPIO_RST_CTRL 寄存器中的 GPIO_CPU1X_RST 位控制复位，该复位仅影响总线接口，不影响控制器内部逻辑。复位后，寄存器恢复默认值，需重新配置。

（三）AXI 接口

AXI 协议：AXI（Advanced Extensible Interface）是 ARM 公司 AMBA 总线协议的一部分，ZYNQ 中支持 AXI4、AXI4-Lite 和 AXI4-Stream 三种类型：
- AXI4：高性能接口，适用于高带宽存储器映射通信，支持最多 256 个数据传输。
- AXI4-Lite：轻量级接口，用于简单的存储器映射通信，占用 PL 资源少，AXI GPIO 即使用该协议。
- AXI4-Stream：无地址的流数据传输接口，适用于高速数据传输（如视频、图像）。
Zynq-7000 的 AXI 接口：包括 M_AXI_GP0/1（PS 作为主机连接 PL）、S_AXI_GP0/1（PL 作为主机连接 PS）、S_AXI_ACP（加速器一致性端口）、S_AXI_HP0~3（高性能端口）等。
MPSoC 的 AXI 接口：在 Zynq-7000 基础上扩展，如 S_AXI_HP [0:3]_FPD、S_AXI_LPD、S_AXI_ACE_FPD 等，支持更高的数据宽度和一致性功能。

（四）MIO 编程注意事项

引脚配置：通过 slcr.MIO_PIN_xx 寄存器配置 MIO 引脚的功能，包括选择 GPIO 模块（通过 L0_SEL、L1_SEL 等字段）、设置 I/O 类型（IO_Type）、上拉（PULLUP）、接收器禁用（DisableRcvr）、速度（Speed）等参数。
三态控制：TRI_ENABLE 字段需设置为 0，使 GPIO 能控制 I/O 的三态模式；若 TRI_ENABLE = 1，则输出强制为三态，不受 GPIO 的 OEN 寄存器控制。
电压设置：根据外部设备需求，通过寄存器设置 MIO 引脚的电压模式（如 LVCMOS18、LVCMOS33 等）。

八、总结与扩展

（一）总结

本文档详细介绍了 ZYNQ 系列芯片中 GPIO 的相关知识，包括 MIO 与 EMIO 的区别、AXI GPIO 的特性、寄存器功能、中断机制以及多个实验设计。通过这些内容，可掌握 GPIO 的基本原理和应用方法，实现对外部设备的控制与监测。

（二）扩展应用

多设备控制：结合 GPIO 的批量操作功能，可同时控制多个 LED、传感器等设备，实现复杂的系统功能。
中断嵌套：在实际应用中，可配置多个中断源，通过优先级管理实现中断嵌套，确保高优先级事件优先处理。
低功耗设计：利用时钟门控和复位功能，在不需要 GPIO 工作时关闭时钟或复位控制器，降低系统功耗。
与其他接口结合：将 GPIO 与 UART、SPI 等接口结合，实现更复杂的数据传输和控制功能，如通过按键配置 UART 的波特率等。

通过深入理解和灵活运用 GPIO 相关技术，可为各类电子系统设计提供坚实的基础，满足不同场景的应用需求。

详细总结

1. GPIO 概述

基本功能：提供软件对设备引脚和 PS 与 PL 间信号的观察与控制，支持动态编程为输入、输出或中断感应，可通过单指令读写同一组内的 GPIO 值。
寄存器组：共 4 个，分别为 Bank0、Bank1、Bank2、Bank3，控制不同的 MIO 和 EMIO 信号。
基地址：控制和状态寄存器 memory 映射在 0xE000_A000。

2. 组成与信号

MIO：包含 54 个 GPIO 信号，通过 MIO 多路复用器路由，输出具备三态能力。
EMIO：提供 PS 与 PL 间的 192 个 GPIO 信号，其中 64 个为输入，128 个为输出（64 个真实输出和 64 个输出使能）。
寄存器组划分：
- Bank0：32 位，控制 MIO 引脚 [31:0]
- Bank1：22 位，控制 MIO 引脚 [53:32]（因 MIO 共 54 个引脚，故 Bank1 仅 22 位）
- Bank2：32 位，控制 EMIO 信号 [31:0]
- Bank3：32 位，控制 EMIO 信号 [63:32]

3. 功能描述

设备引脚控制（Bank0、Bank1）
- 关键寄存器：
  - DATA_RO：用于观察设备引脚值，写入无效；若引脚未配置为 GPIO，其值不可预测。
  - DATA：控制输出值，32 位同时写入，读取返回之前写入值（非引脚当前值）。
  - MASK_DATA_LSW/MSW：实现选择性修改输出值，分别控制组内低 16 位和高 16 位，避免对未修改位的读 - 改 - 写操作。
  - DIRM：控制 I/O 方向，DIRM [x]==0 时输出驱动禁用（为输入）。
  - OEN：控制输出使能，OEN [x]==0 时输出驱动禁用（引脚三态）；若 MIO 的 TRI_ENABLE 设为 1，OEN 被忽略，输出强制三态。
- 输出同步：需同时切换的多个 GPIO 需来自同一 16 位半组，以通过 MASK_DATA 寄存器单指令写入。
EMIO 信号（Bank2、Bank3）
- 寄存器接口与 MIO 组相同，但存在差异：输入为来自 PL 的线，与输出值和 OEN 无关，DIRM 设为 0 时可通过 DATA_RO 读取；输出无三态能力，不受 OEN 影响，DIRM 需设为 1，值通过 DATA 等寄存器编程；输出使能线为 PS 输出，EMIOGPIOTN [x] = DIRM [x] & OEN [x]。
- EMIO 与 MIO 的 I/O 无连接，各组独立。
Bank0 特殊引脚：Bank0 的 [8:7] 位为输出，对应控制 I/O 缓冲电压模式的引脚，复位时输出驱动禁用，系统启动读取电压模式后可作为通用输出，不可作为通用输入。
中断功能
- 触发方式：支持电平敏感（高 / 低）或边沿敏感（上升、下降、双边沿），由 INT_TYPE、INT_POLARITY 和 INT_ANY 寄存器编程。
- 中断处理：检测到中断后 INT_STAT 置位，若未被屏蔽（INT_MASK=0），则通过 OR 函数合并为 IRQ #52 到中断控制器；中断屏蔽由 INT_EN（写 1 禁用屏蔽）和 INT_DIS（写 1 启用屏蔽）控制；边沿敏感中断的 INT 状态可通过写 1 到 INT_STAT 清除，电平敏感中断需清除源或屏蔽输入。
- 关键寄存器：
  - INT_MASK：只读，显示哪些位被屏蔽 / 启用。
  - INT_EN/INT_DIS：写 1 分别启用 / 禁用中断屏蔽，读取值不可预测。
  - INT_STAT：显示中断事件是否发生，写 1 清除对应位状态，写 0 无效。
  - INT_TYPE/INT_POLARITY/INT_ANY：分别控制中断类型、极性和是否双边沿触发（仅边沿敏感时有效）。
- 中断触发设置表：

触发类型	gpio.INT_TYPE_0	gpio.INT_POLARITY_0	gpio.INT_ANY_0
上升沿敏感	1	1	0
下降沿敏感	1	0	0
双边沿敏感	1	X	1
电平敏感（高有效）	0	1	X
电平敏感（低有效）	0	0	X

4. 编程指南

启动序列：包括复位（见 14.4.2）、时钟（见 14.4.1）、GPIO 引脚配置、写入输出数据、读取输入数据、设置唤醒事件等步骤。
GPIO 引脚配置：可单独配置每个引脚为输入或输出，Bank0 [8:7] 必须为输出。
- 示例：配置 MIO 引脚 10 为输出，需写 0x0000_0400 到 gpio.DIRM_0（设方向）和 gpio.OEN_0（设输出使能）；配置为输入，写 0x0 到 gpio.DIRM_0。
写入输出数据：
- 方法 1：通过 DATA 寄存器，先读当前值，修改目标位后写回。
- 方法 2：通过 MASK_DATA_x_MSW/LSW 寄存器，直接设置掩码和数据值进行选择性修改。
读取输入数据：
- 方法 1：使用各 bank 的 DATA_RO_x 寄存器。
- 方法 2：利用中断逻辑，配置触发方式并使能中断，通过 INT_STAT 查看状态。
GPIO 作为唤醒事件：需正确设置 GIC，启用对应 GPIO 引脚中断，且不关闭相关时钟。

5. 系统功能

时钟：由 APB 接口的 CPU_1x 时钟驱动，可通过 slcr.APER_CLK_CTRL [GPIO_CPU_1XCLKACT] 进行时钟门控以管理功耗。
复位：由 slcr.GPIO_RST_CTRL [GPIO_CPU1X_RST] 位控制，仅影响总线接口，不影响控制器逻辑本身。
中断：所有 GPIO 中断路由到 IRQ #52 至 GIC。

6. I/O 接口

MIO 编程：Bank0 和 Bank1 引脚通过 MIO 模块路由到设备引脚，需通过 slcr.MIO_PIN_xx 寄存器配置，包括选择 GPIO 模块、设置 TRI_ENABLE（0 时由 GPIO 的 OEN 控制三态，1 时强制三态）、I/O 类型等参数。
- 示例：配置 MIO 引脚 6 为 GPIO，需设置选择字段为 0、TRI_ENABLE=0、指定电压模式等。

关键问题

问题：Zynq-7000 的 GPIO 分为哪几个寄存器组，各自控制哪些信号？
答案：分为 4 个寄存器组。Bank0 为 32 位，控制 MIO 引脚 [31:0]；Bank1 为 22 位，控制 MIO 引脚 [53:32]；Bank2 为 32 位，控制 EMIO 信号 [31:0]；Bank3 为 32 位，控制 EMIO 信号 [63:32]。
问题：GPIO 的中断功能支持哪些触发方式，如何通过寄存器配置上升沿敏感中断？
答案：支持电平敏感（高或低）和边沿敏感（上升、下降、双边沿）。配置上升沿敏感中断需：写 1 到 gpio.INT_TYPE_0 对应位，写 1 到 gpio.INT_POLARITY_0 对应位，写 0 到 gpio.INT_ANY_0 对应位，再通过 gpio.INT_EN 寄存器启用中断。
问题：在 GPIO 中，写入输出数据有哪些方法，各有什么特点？
答案：有两种方法。方法 1：使用 DATA 寄存器，需先读取当前值、修改目标位再写回，适用于需整体更新输出值的场景，但操作相对繁琐；方法 2：使用 MASK_DATA_x_MSW/LSW 寄存器，可直接设置掩码和数据值进行选择性修改，避免对未修改位的读 - 改 - 写操作，更高效。

文档中未直接提供可直接运行的完整代码，主要以伪代码形式展示了不同实验的软件设计思路。以下是根据文档内容提炼的核心代码逻辑框架，涵盖 MIO 控制 LED、MIO 按键中断、EMIO 按键控制 LED、AXI GPIO 按键控制 LED 等实验，可根据实际开发环境（如 Xilinx SDK）进行调整和完善：

一、MIO 控制 LED 灯实验代码框架

功能：通过 PS 端 MIO 引脚控制 LED 灯 1 秒间隔闪烁

运行

#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xscugic.h"
#include "xil_printf.h"
#include "sleep.h"// 设备ID和引脚定义（根据实际硬件修改）
#define GPIO_DEVICE_ID XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
#define MIO_LED0 10    // 连接LED0的MIO引脚
#define MIO_LED1 11    // 连接LED1的MIO引脚XGpioPs Gpio;         // GPIO驱动实例int main(void) {XGpioPs_Config *ConfigPtr;int Status;// 初始化GPIO配置ConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);if (NULL == ConfigPtr) {return XST_FAILURE;}Status = XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);if (Status != XST_SUCCESS) {return XST_FAILURE;}// 配置LED引脚为输出XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, MIO_LED0, 1);  // 1=输出，0=输入XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, MIO_LED1, 1);XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, MIO_LED0, 1);  // 使能输出XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, MIO_LED1, 1);// 循环控制LED闪烁while (1) {// 点亮LEDXGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO_LED0, 1);  // 1=高电平（点亮）XGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO_LED1, 1);sleep(1);  // 延时1秒// 熄灭LEDXGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO_LED0, 0);  // 0=低电平（熄灭）XGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO_LED1, 0);sleep(1);}return XST_SUCCESS;
}

二、MIO 按键中断实验代码框架

功能：通过 MIO 按键中断控制 LED 灯亮灭（按键按下切换状态）

运行

#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xscugic.h"
#include "xil_exception.h"
#include "xil_printf.h"// 设备ID和引脚定义
#define GPIO_DEVICE_ID XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
#define INTC_DEVICE_ID XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID
#define MIO_KEY 12       // 连接按键的MIO引脚
#define MIO_LED 13       // 连接LED的MIO引脚
#define GPIO_INT_IRQ_ID XPAR_XGPIOPS_0_INTRXGpioPs Gpio;         // GPIO实例
XScuGic Intc;         // 中断控制器实例
volatile u32 led_state = 0;  // LED状态（0=灭，1=亮）// 中断服务函数
void GpioIntrHandler(void *CallBackRef) {XGpioPs *GpioInstancePtr = (XGpioPs *)CallBackRef;// 清除中断标志XGpioPs_IntrClearPin(GpioInstancePtr, MIO_KEY);// 切换LED状态led_state ^= 1;  // 0→1，1→0XGpioPs_WritePin(GpioInstancePtr, MIO_LED, led_state);
}// 中断初始化
int IntcInitFunction(u16 DeviceId, XGpioPs *GpioInstancePtr) {XScuGic_Config *IntcConfig;int Status;IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(DeviceId);Status = XScuGic_CfgInitialize(&Intc, IntcConfig, IntcConfig->CpuBaseAddress);if (Status != XST_SUCCESS) {return Status;}// 注册中断处理函数XScuGic_Connect(&Intc, GPIO_INT_IRQ_ID,(Xil_ExceptionHandler)GpioIntrHandler,(void *)GpioInstancePtr);// 配置按键引脚为输入，并启用中断XGpioPs_SetDirectionPin(GpioInstancePtr, MIO_KEY, 0);  // 0=输入XGpioPs_SetIntrTypePin(GpioInstancePtr, MIO_KEY, XGPIOPS_IRQ_TYPE_EDGE_FALLING);  // 下降沿触发XGpioPs_IntrEnablePin(GpioInstancePtr, MIO_KEY);// 启用中断控制器XScuGic_Enable(&Intc, GPIO_INT_IRQ_ID);// 初始化异常处理Xil_ExceptionInit();Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,&Intc);Xil_ExceptionEnable();return XST_SUCCESS;
}int main(void) {XGpioPs_Config *ConfigPtr;int Status;// 初始化GPIOConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);Status = XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);if (Status != XST_SUCCESS) {return XST_FAILURE;}// 配置LED引脚为输出XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, MIO_LED, 1);XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, MIO_LED, 1);XGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO_LED, 0);  // 初始熄灭// 初始化中断Status = IntcInitFunction(INTC_DEVICE_ID, &Gpio);if (Status != XST_SUCCESS) {return XST_FAILURE;}while (1);  // 等待中断return XST_SUCCESS;
}

三、EMIO 按键控制 LED 灯实验代码框架

功能：通过 MIO 按键和 EMIO 扩展的 PL 按键分别控制两个 LED 灯

运行

#include "xparameters.h"
#include "xgpiops.h"
#include "xil_printf.h"
#include "sleep.h"// 设备ID和引脚定义
#define GPIO_DEVICE_ID XPAR_XGPIOPS_0_DEVICE_ID
#define MIO_KEY 14        // MIO按键引脚
#define EMIO_KEY 54       // EMIO按键引脚（MIO共54个，EMIO从54开始）
#define MIO_LED0 15       // MIO控制的LED引脚
#define MIO_LED1 16       // EMIO控制的LED引脚XGpioPs Gpio;int main(void) {XGpioPs_Config *ConfigPtr;int Status;u32 mio_key_val, emio_key_val;// 初始化GPIOConfigPtr = XGpioPs_LookupConfig(GPIO_DEVICE_ID);Status = XGpioPs_CfgInitialize(&Gpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);if (Status != XST_SUCCESS) {return XST_FAILURE;}// 配置引脚方向：按键为输入，LED为输出XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, MIO_KEY, 0);    // MIO按键输入XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, EMIO_KEY, 0);   // EMIO按键输入XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, MIO_LED0, 1);   // LED0输出XGpioPs_SetDirectionPin(&Gpio, MIO_LED1, 1);   // LED1输出// 使能LED输出XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, MIO_LED0, 1);XGpioPs_SetOutputEnablePin(&Gpio, MIO_LED1, 1);while (1) {// 读取MIO按键状态（按下为0，未按下为1）mio_key_val = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, MIO_KEY);// 读取EMIO按键状态emio_key_val = XGpioPs_ReadPin(&Gpio, EMIO_KEY);// 控制LED0（MIO按键）if (mio_key_val == 0) {  // 按键按下XGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO_LED0, 1);  // 点亮} else {XGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO_LED0, 0);  // 熄灭}// 控制LED1（EMIO按键）if (emio_key_val == 0) {  // 按键按下XGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO_LED1, 1);  // 点亮} else {XGpioPs_WritePin(&Gpio, MIO_LED1, 0);  // 熄灭}usleep(100000);  // 延时100ms，降低CPU占用}return XST_SUCCESS;
}

四、AXI GPIO 按键控制 LED 实验代码框架

功能：通过 PL 端 AXI GPIO IP 核，实现按键中断控制 PS 端 LED

运行

#include "xparameters.h"
#include "xaxigpio.h"
#include "xscugic.h"
#include "xil_exception.h"
#include "xil_printf.h"// 设备ID定义
#define AXI_GPIO_DEVICE_ID XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID
#define INTC_DEVICE_ID XPAR_SCUGIC_SINGLE_DEVICE_ID
#define AXI_GPIO_IRQ_ID XPAR_FABRIC_AXI_GPIO_0_IP2INTC_IRPT_INTR
#define LED_CHANNEL 1    // AXI GPIO输出通道（控制LED）
#define KEY_CHANNEL 2    // AXI GPIO输入通道（连接按键）XAxiGpio AxiGpio;      // AXI GPIO实例
XScuGic Intc;          // 中断控制器实例
volatile u32 led_state = 0;// 中断服务函数
void AxiGpioIntrHandler(void *CallBackRef) {XAxiGpio *GpioInstancePtr = (XAxiGpio *)CallBackRef;// 清除中断XAxiGpio_InterruptClear(GpioInstancePtr, XAxiGpio_GetData(GpioInstancePtr, KEY_CHANNEL));// 切换LED状态led_state ^= 1;XAxiGpio_WriteReg(GpioInstancePtr->BaseAddr, XAXIGPIO_DATA_OFFSET + (LED_CHANNEL-1)*4, led_state);
}// 中断初始化
int IntcInitFunction(XScuGic *IntcInstancePtr, XAxiGpio *GpioInstancePtr, u16 IntcDeviceId, u16 GpioIrqId) {XScuGic_Config *IntcConfig;int Status;IntcConfig = XScuGic_LookupConfig(IntcDeviceId);Status = XScuGic_CfgInitialize(IntcInstancePtr, IntcConfig, IntcConfig->CpuBaseAddress);if (Status != XST_SUCCESS) {return Status;}// 注册中断处理函数XScuGic_Connect(IntcInstancePtr, GpioIrqId,(Xil_ExceptionHandler)AxiGpioIntrHandler,(void *)GpioInstancePtr);// 启用AXI GPIO中断XAxiGpio_InterruptEnable(GpioInstancePtr, 1 << 0);  // 使能第0位中断XAxiGpio_InterruptGlobalEnable(GpioInstancePtr);// 启用中断控制器XScuGic_Enable(IntcInstancePtr, GpioIrqId);// 初始化异常处理Xil_ExceptionInit();Xil_ExceptionRegisterHandler(XIL_EXCEPTION_ID_INT,(Xil_ExceptionHandler)XScuGic_InterruptHandler,IntcInstancePtr);Xil_ExceptionEnable();return XST_SUCCESS;
}int main(void) {XAxiGpio_Config *ConfigPtr;int Status;// 初始化AXI GPIOConfigPtr = XAxiGpio_LookupConfig(AXI_GPIO_DEVICE_ID);Status = XAxiGpio_CfgInitialize(&AxiGpio, ConfigPtr, ConfigPtr->BaseAddr);if (Status != XST_SUCCESS) {return XST_FAILURE;}// 配置通道：按键为输入，LED为输出XAxiGpio_SetDataDirection(&AxiGpio, KEY_CHANNEL, 0xFFFFFFFF);  // 输入XAxiGpio_SetDataDirection(&AxiGpio, LED_CHANNEL, 0x00000000);   // 输出// 初始化中断Status = IntcInitFunction(&Intc, &AxiGpio, INTC_DEVICE_ID, AXI_GPIO_IRQ_ID);if (Status != XST_SUCCESS) {return XST_FAILURE;}while (1);  // 等待中断return XST_SUCCESS;
}

代码使用说明

硬件关联：代码中引脚编号（如MIO_LED0、EMIO_KEY）需根据实际硬件原理图修改，确保与开发板引脚对应。
设备 ID：XPAR_XXX_DEVICE_ID需与工程中的硬件平台（.xsa 文件）定义一致，可通过 Xilinx SDK 自动生成。
中断配置：中断类型（边沿 / 电平触发）、中断号需根据 GPIO 引脚和 IP 核配置调整。
延时函数：sleep()（秒级）和usleep()（微秒级）需包含对应头文件，部分环境可能需要替换为系统定时器实现。

以上代码框架覆盖了文档中所有实验的核心逻辑，实际开发时需结合具体开发环境和硬件配置进行调试。

1. 概述

GPIO 外设通过 MIO 模块提供对多达 54 个设备引脚的观测和控制，还通过 EMIO 接口提供与可编程逻辑（PL）间的 192 个 GPIO 信号（64 个输入、128 个输出）。
GPIO 按寄存器组分为四个 bank，控制不同范围的 MIO 和 EMIO 信号，由软件通过一系列内存映射寄存器控制。

2. 关键特性

54 个用于设备引脚的 GPIO 信号（通过 MIO 多路复用器路由），输出支持三态。
192 个 PS 与 PL 间的 EMIO GPIO 信号，包括 64 个输入和 128 个输出（64 个真实输出和 64 个输出使能）。
每个 GPIO 可独立动态编程为输入、输出或中断感应模式。
支持可编程中断，可选择电平敏感（高 / 低）或边沿敏感（上升沿、下降沿、双边沿），能读取原始和屏蔽的中断状态。

3. 框图与 bank 划分

Bank0：32 位，控制 MIO 引脚 [31:0]。
Bank1：22 位，控制 MIO 引脚 [53:32]（因 MIO 共 54 个引脚，故 Bank1 限制为 22 位）。
Bank2：32 位，控制 EMIO 信号 [31:0]。
Bank3：32 位，控制 EMIO 信号 [63:32]。

4. 注意事项

7z007s 和 7z010 CLG225 器件的可用 MIO 引脚减至 32 个，仅特定引脚可作为 GPIO，其他 MIO 引脚未连接。
MIO 的 Bank0 和 Bank1 通过 MIO 模块路由到设备引脚，需通过 slcr.MIO_PIN_xx 寄存器选择合适的 I/O 类型、使能 GPIO 模块等，TRI_ENABLE 应设为 0 以让 GPIO 控制三态模式。

5. 功能描述

MIO 引脚的 GPIO 控制：软件配置 GPIO 为输入或输出，DATA_RO 寄存器始终返回 GPIO 引脚状态，DATA 寄存器控制输出值，MASK_DATA_LSW 和 MASK_DATA_MSW 寄存器支持选择性更改输出值，DIRM 控制方向，OEN 控制输出使能。
EMIO 信号：寄存器接口与 MIO 银行相同，但 EMIO 是 PS 与 PL 间的连线，输入与输出值和 OEN 寄存器无关，输出无三态功能，输出使能线由 DIRM 和 OEN 寄存器控制。
Bank0 的 Bits [8:7]：对应控制 I/O 缓冲区电压模式的引脚，不能作为通用输入，可作为通用输出（复位时输出驱动禁用）。
中断功能：中断检测逻辑监控 GPIO 输入信号，触发方式可配置，中断状态存于 INT_STAT，通过 INT_EN 和 INT_DIS 控制中断屏蔽，所有 GPIO 共享 IRQ ID#52 中断。

6. 编程指南

启动序列：包括复位、时钟、GPIO 引脚配置、向输出引脚写数据、从输入引脚读数据、设置 GPIO 引脚为唤醒事件。
GPIO 引脚配置：可将引脚配置为输入或输出，Bank0 的 [8:7] 引脚必须配置为输出。
向输出引脚写数据：可通过 DATA 寄存器（读 - 修改 - 更新）或 MASK_DATA_x_MSW/LSW 寄存器（选择性更新）。
从输入引脚读数据：可使用 DATA_RO_x 寄存器或中断逻辑。
GPIO 作为唤醒事件：需在 GIC 中启用 GPIO 中断，启用特定引脚的 GPIO 中断，且不关闭任何 GPIO 相关时钟。

7. 寄存器概览

数据读写相关：MASK_DATA_{3:0}{MSW,LSW}、DATA{3:0}、DATA_{3:0}_RO。
I/O 缓冲区控制相关：DIRM_{3:0}、OEN_{3:0}。
中断控制相关：INT_MASK_{3:0}、INT_EN_{3:0}、INT_DIS_{3:0}、INT_STAT_{3:0}、INT_TYPE_{3:0}、INT_POLARITY_{3:0}、INT_ANY_{3:0}。

8. 系统功能

时钟：由 APB 接口的 CPU_1x 时钟驱动，可通过 slcr.APER_CLK_CTRL [GPIO_CPU_1XCLKACT] 进行时钟门控实现电源管理。
复位：由 slcr.GPIO_RST_CTRL [GPIO_CPU1X_RST] 位复位，仅影响总线接口。
中断：所有 GPIO 控制器产生的中断路由到 IRQ 52。

9. I/O 接口

MIO 编程：Bank0 和 Bank1 引脚通过 MIO 路由，可通过 slcr.MIO_PIN_XX 寄存器配置为 GPIO，需正确设置相关参数。

第 14 章通用输入 / 输出（GPIO）

14.1 简介

通用输入 / 输出（GPIO）外设通过 MIO 模块为软件提供对多达 54 个设备引脚的观测和控制功能。它还通过 EMIO 接口提供来自可编程逻辑（PL）的 64 个输入和到 PL 的 128 个输出的访问。GPIO 分为四个寄存器组，每组对相关的接口信号进行分组管理1。

每个 GPIO 可独立且动态地编程为输入、输出或中断感应模式。软件可使用单条加载指令读取一个组内的所有 GPIO 值，或使用单条存储指令向一个或多个 GPIO（在 GPIO 的一定范围内）写入数据。GPIO 控制和状态寄存器的内存映射基地址为 0xE000_A0002。

14.1.1 特性

GPIO 外设的主要特性总结如下：

54 个用于设备引脚的 GPIO 信号（通过 MIO 多路复用器路由）
- 输出支持三态
通过 EMIO 接口在 PS 和 PL 之间有 192 个 GPIO 信号
- 64 个输入、128 个输出（64 个真实输出和 64 个输出使能）
每个 GPIO 的功能可单独或成组动态编程
使能、位或组数据写入、输出使能和方向控制
可在单个 GPIO 基础上进行可编程中断
- 可读取原始和屏蔽中断的状态
可选择的灵敏度：电平敏感（高或低）或边沿敏感（上升沿、下降沿或两者皆有）3至4

14.1.2 框图

如图 14-1 所示，GPIO 模块分为四个组：

Bank0：32 位组，控制 MIO 引脚 [31:0]
Bank1：22 位组，控制 MIO 引脚 [53:32]
Bank2：32 位组，控制 EMIO 信号 [31:0]
Bank3：32 位组，控制 EMIO 信号 [63:32]

注：由于 MIO 总共有 54 个引脚，因此 Bank1 限制为 22 位。

GPIO 通过一系列内存映射寄存器由软件控制。每个组的控制方式相同，但由于 MIO 组和 EMIO 组的功能不同，两者之间存在细微差异5至6。

14.1.3 注意事项

7z007s 和 7z010 CLG225 器件
7z007s 单核和 7z010 双核 CLG225 器件将可用的 MIO 引脚减少到 32 个，如 2.5.4 节 “MIO 一览表格” 中的 MIO 表所示。因此，在这些器件中，仅 15:0、39:28、48、49、52 和 53 号 MIO 引脚可作为 GPIO 引脚使用。其他 MIO 引脚未连接，不应使用。所有 EMIO 信号均可使用7至8。

MIO 注意事项
GPIO 外设模块的 Bank0 和 Bank1 通过 MIO 模块路由到设备引脚。有关 MIO 操作的完整描述，请参阅 2.5 节 “PS-PL MIO-EMIO 信号和接口”。MIO 的主要控制通过 slcr.MIO_PIN_xx 寄存器实现。请注意以下几点：

用户必须根据自身系统，使用 IO_Type、PULLUP、DisableRcvr 和 Speed 字段选择合适的 I/O 类型。
用户必须通过多路复用器控制字段 L0_SEL、L1_SEL、L2_SEL 和 L3_SEL 选择 GPIO 模块。请注意，每个 I/O 引脚可单独选择。当 MIO 引脚用于 IOP 设备时，它不能作为 GPIO 使用。
TRI_ENABLE 应设置为 0。这使 GPIO 能够控制 I/O 的三态模式。如果 MIO 中的 TRI_ENABLE 设置为 1，则无论 GPIO 设置如何，输出驱动器都将处于三态9至10。

14.2 功能描述

14.2.1 设备引脚的 GPIO 控制
本节描述 Bank0 和 Bank1 的操作（见图 14-2）11。

软件将 GPIO 配置为输出或输入。无论 GPIO 设置为输入（OE 信号为假）还是输出（OE 信号为真），DATA_RO 寄存器始终返回 GPIO 引脚的状态。要生成输出波形，软件需反复向一个或多个 GPIO 写入数据（通常使用 MASK_DATA 寄存器）12。

应用可能需要同时切换多个 GPIO（两个 I/O 缓冲区之间的固有偏斜时间较小）。在这种情况下，所有需要同时切换的 GPIO 必须来自同一个 16 位半组（即最高有效 16 位或最低有效 16 位）的 GPIO，以便 MASK_DATA 寄存器能在一条存储指令中向它们写入数据13。

GPIO 组控制（针对 Bank0 和 Bank1）总结如下：

DATA_RO：该寄存器使软件能够观测设备引脚上的值。如果 GPIO 信号配置为输出，则该寄存器通常会反映输出上驱动的值。向该寄存器写入数据将被忽略。
注：如果 MIO 未配置为启用该引脚作为 GPIO 引脚，则 DATA_RO 是不可预测的，因为软件无法通过 GPIO 寄存器观测非 GPIO 引脚上的值14至15。
DATA：当 GPIO 信号配置为输出时，该寄存器控制要输出的值。该寄存器的所有 32 位将同时写入。从该寄存器读取将返回之前写入 DATA 或 MASK_DATA_{LSW,MSW} 的值；它不会返回设备引脚上的当前值16。
MASK_DATA_LSW：该寄存器能够更有选择性地更改所需的输出值。最多可写入 16 位的任意组合。未写入的位将保持不变，保留其先前的值。从该寄存器读取将返回之前写入 DATA 或 MASK_DATA_{LSW,MSW} 的值；它不会返回设备引脚上的当前值。该寄存器避免了对未更改的位进行读 - 修改 - 写操作的需求17。
MASK_DATA_MSW：该寄存器与 MASK_DATA_LSW 相同，但它控制组的高 16 位18。
DIRM（方向模式）：这控制 I/O 引脚是作为输入还是输出。由于输入逻辑始终启用，这实际上是启用 / 禁用输出驱动器。当 DIRM [x]==0 时，输出驱动器禁用19。
OEN（输出使能）：当 I/O 配置为输出时，这控制输出是否启用。当输出禁用时，引脚处于三态。当 OEN [x]==0 时，输出驱动器禁用20。
注：如果 MIO TRI_ENABLE 设置为 1，启用三态并禁用驱动器，则 OEN 将被忽略，输出处于三态21。

14.2.2 EMIO 信号
本节描述 Bank2 和 Bank3 的操作（见图 14-2）22。

EMIO 组的寄存器接口与上一节中描述的 MIO 组相同。然而，EMIO 接口只是 PS 和 PL 之间的连线，因此存在一些差异：

输入是来自 PL 的连线，与输出值或 OEN 寄存器无关。当 DIRM 设置为 0（使其成为输入）时，可从 DATA_RO 寄存器读取它们。
输出连线不支持三态，因此它们不受 OEN 的影响。要输出的值使用 DATA、MASK_DATA_LSW 和 MASK_DATA_MSW 寄存器进行编程。DIRM 必须设置为 1（使其成为输出）。
输出使能连线只是来自 PS 的输出。它们由 DIRM/OEN 寄存器控制，如下所示：EMIOGPIOTN [x] = DIRM [x] & OEN [x]
EMIO I/O 与 MIO I/O 没有任何连接。EMIO 输入不能连接到 MIO 输出，MIO 输入也不能连接到 EMIO 输出。每个组都是独立的，只能用作软件可观测 / 控制的信号23至24。

14.2.3 Bank0 的位 [8:7] 为输出
Bank0 的 GPIO 位 [8:7] 对应于在复位期间用于控制 I/O 缓冲区自身电压模式的封装引脚。这些引脚称为 MIO 组的 VMODE 引脚带（参见 “引导模式引脚设置” 部分，第 165 页）。它们必须由外部系统根据适当的电压模式驱动。为防止它们被其他系统逻辑驱动，它们不能用作通用输入25至26。

由于复位时输出驱动器禁用，这些位可用作通用输出。系统在系统引导期间读取电压模式后，可以开始将这些位用作输出27。

14.2.4 中断功能
中断检测逻辑监控 GPIO 输入信号。中断触发可以是上升沿、下降沿、任一沿、低电平或高电平。触发灵敏度通过 INT_TYPE、INT_POLARITY 和 INT_ANY 寄存器进行编程28。

如果检测到中断，中断检测逻辑会将 GPIO 的 INT_STAT 状态设置为真。如果 INT_STAT 状态被启用（未屏蔽），则中断会传播到一个大型 OR 函数。该函数将所有四个组中所有 GPIO 的所有中断组合为一个输出（IRQ ID#52）到中断控制器。如果中断被禁用（屏蔽），则 INT_STAT 状态会保持到被清除，但除非 INT_EN 随后被写入以禁用屏蔽，否则它不会传播到中断控制器。由于所有 GPIO 共享同一个中断，软件必须同时考虑 INT_MASK 和 INT_STAT 来确定哪个 GPIO 引起了中断29。

中断屏蔽状态通过向 INT_EN 和 INT_DIS 寄存器写入 1 来控制。向 INT_EN 寄存器写入 1 会禁用屏蔽，允许活动中断传播到中断控制器。向 INT_DIS 寄存器写入 1 会启用屏蔽。可使用 INT_MASK 寄存器读取中断屏蔽的状态30。

如果 GPIO 中断是边沿敏感的，则检测逻辑会锁存 INT 状态。通过向 INT_STAT 寄存器写入 1 来清除 INT 锁存。对于电平敏感的中断，必须清除到 GPIO 的中断输入源才能清除中断信号。或者，软件可以使用 INT_DIS 寄存器屏蔽该输入31。

可以通过读取 INT_STAT 和 INT_MASK 寄存器来推断发送到中断控制器的中断信号的状态。如果 INT_STAT=1 且 INT_MASK=0，则该中断信号被断言32。

GPIO 组控制总结如下：

INT_MASK：该寄存器为只读，显示当前哪些位被屏蔽以及哪些位未被屏蔽 / 启用。
INT_EN：向该寄存器的任何位写入 1 会启用 / 取消屏蔽该信号的中断。从该寄存器读取将返回不可预测的值。
INT_DIS：向该寄存器的任何位写入 1 会屏蔽该信号的中断。从该寄存器读取将返回不可预测的值。
INT_STAT：该寄存器显示是否发生了中断事件。向该寄存器的某位写入 1 会清除该位的中断状态。向该寄存器的某位写入 0 会被忽略。
INT_TYPE：该寄存器控制中断是边沿敏感还是电平敏感。
INT_POLARITY：该寄存器控制中断是低电平有效还是高电平有效（或下降沿敏感还是上升沿敏感）。
INT_ON_ANY：如果 INT_TYPE 设置为边沿敏感，则该寄存器允许在上升沿和下降沿发生中断事件。如果 INT_TYPE 设置为电平敏感，则该寄存器被忽略33至34。

14.3 编程指南

GPIO 控制器有四个组，MIO 和 EMIO 各两个。每个 GPIO 引脚可以单独编程。如 14.2.1 节 “设备引脚的 GPIO 控制” 中所述，可通过单次写入对多个引脚进行编程35至36。

14.3.1 启动序列
主要示例：启动序列

复位：复位选项在 14.4.2 节 “复位” 中描述。
时钟：时钟在 14.4.1 节 “时钟” 中描述。
GPIO 引脚配置：将引脚配置为输入 / 输出在 14.3.2 节 “GPIO 引脚配置” 中描述。
向 GPIO 输出引脚写入数据：参见 14.3.3 节 “向 GPIO 输出引脚写入数据” 中的示例。
从 GPIO 输入引脚读取数据：参见 14.3.4 节 “从 GPIO 输入引脚读取数据” 中的示例。
将 GPIO 引脚设置为唤醒事件：参见 “GPIO 作为唤醒事件” 部分中的示例37至38。

14.3.2 GPIO 引脚配置
每个单独的 GPIO 引脚可配置为输入 / 输出。但是，bank0 的 [8:7] 引脚必须配置为输出。有关更多详细信息，请参阅 14.2.3 节 “Bank0 的位 [8:7] 为输出”39至40。

示例：将 MIO 引脚 10 配置为输出

将方向设置为输出：向 gpio.DIRM_0 寄存器写入 0x0000_0400。
设置输出使能：向 gpio.OEN_0 寄存器写入 0x0000_0400。

注：输出使能仅在 GPIO 引脚配置为输出时才有意义41至42。

示例：将 MIO 引脚 10 配置为输入

将方向设置为输入：向 gpio.DIRM_0 寄存器写入 0x0。这将 gpio.DIRM_0 [10] 设置为 043至44。

14.3.3 向 GPIO 输出引脚写入数据
对于配置为输出的 GPIO 引脚，有两种方法可对所需值进行编程45至46。

选项 1：使用 gpio.DATA_0 寄存器读取、修改和更新 GPIO 引脚。

示例：使用 DATA_0 寄存器设置 GPIO 输出引脚 10。

读取 gpio.DATA_0 寄存器：将 gpio.DATA_0 寄存器读取到 reg_val 变量。
修改值：设置 reg_val [10]=1。
向输出引脚写入更新后的值：将 reg_val 写入 gpio.DATA_0 寄存器47至48。

选项 2：使用 MASK_DATA_x_MSW/LSW 寄存器更新一个或多个 GPIO 引脚。

示例：使用 MASK_DATA_0_MSW 寄存器将输出引脚 20、25 和 30 设置为 1。

生成引脚 20、25 和 30 的掩码值：要驱动引脚 20、25 和 30，0xBDEF 是 gpio.MASK_DATA_0_MSW [MASK_0_MSW] 的掩码值。
生成引脚 20、25、30 的数据值：要在引脚 20、25 和 30 上驱动 1，0x4210 是 gpio.MASK_DATA_0_MSW [DATA_0_MSW] 的数据值。
向 MASK_DATA_x_MSW 寄存器写入掩码和数据：向 gpio.MASK_DATA_0_MSW 寄存器写入 0xBDEF_421049至50。

14.3.4 从 GPIO 输入引脚读取数据
对于配置为输入的 GPIO 引脚，有两种方法可监控输入51至52。

选项 1：使用每个组的 gpio.DATA_RO_x 寄存器。

示例：使用 DATA_RO_0 寄存器读取 bank 0 中所有 GPIO 输入引脚的状态。

读取输入 Bank 0：读取 gpio.DATA_0 寄存器53至54。

选项 2：在输入引脚上使用中断逻辑（参见 14.2.4 节 “中断功能”）。

示例：将 MIO 引脚 12 配置为上升沿触发。

将触发设置为上升沿：向 gpio.INT_TYPE_0 [12] 写入 1。向 gpio.INT_POLARITY_0 [12] 写入 1。向 gpio.INT_ANY_0 [12] 写入 0。
启用中断：向 gpio.INT_EN_0 [12] 写入 1。
输入引脚的状态：gpio.INT_STAT_0 [12] =1 表示发生了中断事件。
禁用中断：向 gpio.INT_DIS_0 [12] 写入 155至56。

14.3.5 GPIO 作为唤醒事件
GPIO 可配置为唤醒设备。

重要提示：必须正确设置 GIC。