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nRF5芯片外设GPIO和GPIOTE介绍 2023-07-03

nRF51/nRF52同时包含GPIO和GPIOTE两种外设,经常有人将两者搞混,今天我们就来介绍一下这2种外设有什么不同,及使用注意事项。

nRF51/nRF52同时包含GPIO和GPIOTE两种外设,经常有人将两者搞混,今天我们就来介绍一下这2种外设有什么不同,及使用注意事项。

GPIO

GPIO和GPIOTE都属于芯片外设,但两者功能完全不一样,使用过程中不要将两者混淆。GPIO就是大家通常理解的普通IO口,用来对IO口进行读写等操作。因此,如果你需要读某个IO口状态,或者将某个IO口置1,那么请使用nrf_gpio.h里面的API,比如

nrf_gpio_cfg_input用来将IO口设为输入模式

nrf_gpio_pin_set用来输出1到IO口

Nordic GPIO口输入模式可以配置为没有pull,有上拉电阻,有下拉电阻,悬浮等4种状态。GPIO输出模式下驱动力灵活可配,可以配置为普通驱动力(2mA),高驱动力(10mA),甚至断开状态(跟开漏输出很像)。

除此之外,Nordic GPIO模块还有两个非常重要的功能:

  • sense功能。当系统进入sleep模式(也称system OFF模式),只能通过IO口等特殊唤醒源来唤醒并产生复位。当某个IO口使能了sense功能,那么它就可以用来唤醒sleep模式了。Sense使能的时候,可以配置成高电平唤醒或者低电平唤醒。一般使用nrf_gpio_cfg_sense_input这个函数来使能IO口的sense功能。
  • detect功能。Detect功能是sense功能的进一步扩展,sense除了可以唤醒sleep模式,还可以用来产生中断,即detect功能。你可以把DETECT看成一个中断标志位,这个中断标志位是由每一个端口所有IO口进行或操作的结果,所以DETECT信号状态直接跟随外部IO口状态,只要有一个外部IO口有效,那么DETECT信号就一直为高,只有所有外部IO口状态都无效时,DETECT信号才会重新变成低。

GPIOTE

GPIOTE,全称GPIO Tasks and Events,GPIOTE首先是一个外设模块,因此它遵守芯片外设最基本规则:每一个时刻每一个GPIO口只能被一个外设使用,因此当某一个IO口被用做GPIOTE了,那么它就不能再作为普通GPIO来使用了,也就是上面提到的GPIO API将变得无效,此时必须使用nrf_drv_gpiote.h里面的API。Nordic将状态机引入到每一个外设,也就是说,每一个外设都有自己的输入(task),输出(event)和状态。GPIOTE的作用就是让GPIO也具有task和event的功能,也就是说,对GPIOTE来说,将某一个IO口置1,其实是触发TASKS_SET;检测某一个IO口上升沿,其实是等待EVENTS_IN。让IO口支持task和event机制,将为后面的PPI自动化操作打下基础,关于PPI详细说明,请参考“如何理解nRF5芯片外设PPI”。

GPIO模块只能用来操作IO口输入和输出,如果需要处理IO口中断,则必须通过GPIOTE模块来做,GPIOTE支持两种类型中断:EVENTS_IN中断以及EVENTS_PORT中断。

  • IN event中断。EVENTS_IN用来检测沿,即上升沿,下降沿或者双沿。nRF52只有8个IN event channel(nRF51只有4个),它只能同时支持8路IN Event中断,每一路IN Event中断相互独立,互不影响,基于此IN Event中断可以用来同时捕获多路IO口中断。由于nRF51/52设计问题,一旦打开IN event中断,nRF52将增加10到20微安电流,nRF51将增加几百微安电流。(nRF53的IN event中断和port event中断两者功耗差不多)
  • Port event 中断。EVENTS_PORT用来检测IO口低电平或者高电平,从芯片本身来说,每一个IO口都可以产生Port Event中断,但是GPIOTE驱动引入了一个宏:NRFX_GPIOTE_CONFIG_NUM_OF_LOW_POWER_EVENTS,用来控制可以同时使能多少个IO口来产生Port Event中断,Port Event中断功耗非常低(低于1uA),基本可以忽略不计。Port event中断虽然属于GPIOTE模块,但Port event的产生却完全取决于GPIO模块的DETECT信号,DETECT每产生一次上升沿生成一次Port event中断。如前所述,DETECT信号是所有IO口相或的结果(832是32个IO口,840是48个IO口),只要其中某一个IO口有效,DETECT信号就一直为高,这里容易产生一个副作用:但一个IO口产生Port event中断后,它还保持有效,那么这个时候DETECT信号就一直为高,此时如果另一个IO口从无效变成有效(产生中断),由于DETECT信号已经为高电平,所以这个IO口的中断将被忽略。为此,在处理port event中断的时候,nRF5 SDK app_button模块将每个port event的极性设为toggle,也就是每进入一次port event ISR handler,nRF5 SDK都会把DETECT的极性翻转一次,比如将检测为高有效变成检测为低有效,这就相当于将DETECT信号清0了,这样一旦外部有第2个IO口产生中断,DETECT将再次由低变高,从而再次生成一次Port event中断。如果应用逻辑允许,nRF52/51推荐使用port event处理IO口中断。

EVENTS_IN和EVENTS_PORT两种IO口中断初始化区别如下所示:

nrf_drv_gpiote_in_config_t config = GPIOTE_CONFIG_IN_SENSE_TOGGLE(false);  //false表示Port event中断,每个IO口都可以作为port event中断输入口

err_code = nrf_drv_gpiote_in_init(pin_no, &config, gpiote_event_handler);

nrf_drv_gpiote_in_config_t config = GPIOTE_CONFIG_IN_SENSE_TOGGLE(true);  //true表示IN event中断,nRF52总共有8个IN event中断。注:这里检测的是双沿

err_code = nrf_drv_gpiote_in_init(pin_no, &config, gpiote_event_handler);

如上所述,IN event中断和Port event中断,两者本质上是一样的,唯一的区别是:IN event中断每个中断口是相互独立的,而Port event中断所有IO口共用同一个中断标志位。

SDK自带GPIOTE应用例程,感兴趣的读者请参考Keil5工程:SDK安装目录\examples\peripheral\pin_change_int\pca10040\blank\arm5_no_packs

SDK也自带Sense例子,有兴趣的读者请参考Keil5工程:SDK安装目录\examples\peripheral\ram_retention\pca10040\blank\arm5_no_packs

关于Port event中断使用例子,可以参考Nordic的app_button模块,比如ble_app_hrs就会用到这个模块,大家可以去看一下app_button是如何使用port event中断的。

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