痞子衡嵌入式：實(shí)測i.MXRT1010上的普通GPIO與高速GPIO極限翻轉(zhuǎn)頻率

　　大家好，我是痞子衡，是正經(jīng)搞技術(shù)的痞子。今天痞子衡給大家介紹的是i.MXRT1010上的普通GPIO與高速GPIO極限翻轉(zhuǎn)頻率。

　　上一篇文章 《聊聊i.MXRT1xxx上的普通GPIO與高速GPIO差異及其用法》，痞子衡從原理上介紹了 i.MXRT1xxx 系列里普通 GPIO 和 HSGPIO 差異，今天我們就來實(shí)測它們的極限翻轉(zhuǎn)頻率，看看它們實(shí)際表現(xiàn)差別到底有多大。本次選擇的測試芯片是 i.MXRT1010，這顆芯片從功能上來說是目前 i.MXRT1xxx 系列里的小兄弟，但別小看它，因?yàn)槭呛竺嫱瞥龅男吞?hào)，恩智浦的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為它在某些方面做了特殊的性能優(yōu)化，包括 HSGPIO 性能。話不多說，開測：

一、測試準(zhǔn)備工作

1.1 測試板卡及測試點(diǎn)

　　選定的板卡是恩智浦官方 MIMXRT1010-EVK，板卡上連接 LED 燈的是 GPIO_11，翻看芯片參考手冊(cè)，這個(gè) PAD 既可以配到普通 GPIO（GPIO1[11]） 也可以配到 HSGPIO（GPIO2[11]），正是理想的 PAD，我們就選擇這個(gè) PAD 做測試。此外，最終 I/O 輸出波形形態(tài)跟外圍驅(qū)動(dòng)電路也有關(guān)聯(lián)，所以這里也有必要交待清楚：

• Note： 所用示波器型號(hào)是 Tektronix MDO3024, 帶寬 200MHz, 采樣率 2.5GS/s

1.2 I/O 翻轉(zhuǎn)測試代碼

　　測試工程我們可以直接在 \SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1010\boards\evkmimxrt1010\driver_examples\gpio\led_output 例程上修改，為了盡力展示 GPIO 極限性能，不受其他瓶頸因素干擾，這里選擇代碼執(zhí)行性能最高的工程 build（即代碼段在 ITCM 里，數(shù)據(jù)段在 DTCM 里）。

　　I/O 初始化代碼很簡單，在 《普通GPIO與高速GPIO差異及其用法》 文章里都介紹清楚了。這里僅有一點(diǎn)注意，為了統(tǒng)一最終 I/O 輸出效果，不管是用于普通 GPIO 還是 HSGPIO，我們都直接將測試 PAD 配置到最快的 200MHz 運(yùn)行頻率（PAD 支持的 50/100/150/200MHz 運(yùn)行頻率配置不同主要是對(duì)信號(hào)幅值響應(yīng)表現(xiàn)有影響，不過痞子衡實(shí)測這四種速度配置對(duì)于 100MHz 的 I/O 翻轉(zhuǎn)信號(hào)輸出效果是一樣的（僅示波器端觀測波形角度而言），看到的都是標(biāo)準(zhǔn)幅度的正弦波）：

void io_test_init(bool useNormalGpio)
{
    gpio_pin_config_t led_config = {kGPIO_DigitalOutput, 0, kGPIO_NoIntmode};
    CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Iomuxc);      
    IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0U); 
    // Fast Slew Rate, R0/7, 200MHz
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_11_GPIOMUX_IO11, 0x70F9U);
    if (useNormalGpio)
    {
        // GPIO1
        IOMUXC_GPR->GPR26 &= ~(1u << 11);
        GPIO_PinInit(GPIO1, 11, &led_config);
    }
    else
    {
        // GPIO2
        IOMUXC_GPR->GPR26 |= (1u << 11);
        GPIO_PinInit(GPIO2, 11, &led_config);
    }
}

　　在 GPIO 模塊里跟電平輸出控制相關(guān)的寄存器有兩個(gè)，一個(gè)是 DR 寄存器，另一個(gè)是 DR_TOGGLE 寄存器，都可用于實(shí)現(xiàn)輸出電平翻轉(zhuǎn)。有如下代碼所示的三種常見電平翻轉(zhuǎn)方法，在低翻轉(zhuǎn)頻率情況下，這三種方法是等效的，但是在極限翻轉(zhuǎn)頻率情況下，這三種方法表現(xiàn)不完全一致，下一節(jié)實(shí)測結(jié)果會(huì)告訴你：

void io_test_run(void)
{
    io_test_init(false);
    while (1)
    {
        // 電平翻轉(zhuǎn)方法一：異或位操作
        //GPIO2->DR ^= 0x800;

        // 電平翻轉(zhuǎn)方法二：直接賦值切換位
        //GPIO2->DR = 0x800;
        //GPIO2->DR = 0x000;

        // 電平翻轉(zhuǎn)方法三：利用 TOGGLE 位
        GPIO2->DR_TOGGLE = 0x800;
    }
}

1.3 芯片系統(tǒng)時(shí)鐘配置

　　《普通GPIO與高速GPIO差異及其用法》 一文里講了，普通 GPIO 時(shí)鐘源是 IPG Bus，而 HSGPIO 時(shí)鐘源是 AHB Bus，因此測試工程里 AHB/IPG 時(shí)鐘配置會(huì)影響最終 I/O 翻轉(zhuǎn)極限頻率。下圖是 i.MXRT1010 內(nèi)核結(jié)構(gòu)里的 HSGPIO 通路，它和 i.MXRT1060/1170 內(nèi)核結(jié)構(gòu)里 HSGPIO 通路其實(shí)有點(diǎn)小區(qū)別，這也是 i.MXRT1010 上的優(yōu)化之處。

　　led_output 例程里的默認(rèn)系統(tǒng)時(shí)鐘配置，AHB/Core 時(shí)鐘來自于 PLL6 - 500MHz，AHB_PODF 設(shè) 0 （即不分頻），而 IPG Bus 時(shí)鐘源固定來自于 AHB/Core，且只能在其基礎(chǔ)上做 1/2/3/4 分頻，我們知道 IPG Bus 最高僅支持 150MHz，因此在這種情況下 IPG_PODF 只能設(shè) 3（四分頻），IPG 時(shí)鐘實(shí)際是 125MHz，顯然 HSGPIO 訪問可以得到最優(yōu)性能，但普通 GPIO 達(dá)不到最優(yōu)性能。

PLL6, CCM_ANALOG->PLL_ENET[ENET_500M_REF_EN] = 1'b1，固定 500MHz
CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL] = 2'b11，derive clock from PLL6
CCM->CBCDR[PERIPH_CLK_SEL] = 1'b0，derive clock selected by CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL]
CCM->CBCDR[AHB_PODF] = 3'b000，divide by 1
CCM->CBCDR[IPG_PODF] = 2'b11，divide by 4

　　為了測試普通 GPIO 的最優(yōu)性能，我們需要同時(shí)再測試一種新的系統(tǒng)時(shí)鐘配置，AHB/Core 時(shí)鐘源選用 PLL2_PFD3，將這個(gè)源配置為 452.6 MHz，AHB_PODF 依舊設(shè) 0，這樣 IPG_PODF 設(shè) 2（三分頻）可以得到 150.8MHz 的 IPG 時(shí)鐘，這時(shí)普通 GPIO 訪問可以得到最優(yōu)性能，不過 HSGPIO 訪問就要損失點(diǎn)性能了。

PLL2，CCM_ANALOG->PFD_528[PFD3_FRAC] = 21，即 528MHz*18/PFD3_FRAC = 452.57MHz
CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL] = 2'b10，derive clock from PLL2 PFD3
CCM->CBCDR[PERIPH_CLK_SEL] = 1'b0，derive clock selected by CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL]
CCM->CBCDR[AHB_PODF] = 3'b000，divide by 1
CCM->CBCDR[IPG_PODF] = 2'b10，divide by 3

二、測試波形結(jié)果

　　準(zhǔn)備工作都做完了，現(xiàn)在就是示波器連上板卡開始實(shí)測了，根據(jù)組合，一共有時(shí)鐘配置（x2）* I/O 類型（x2）* 翻轉(zhuǎn)方法（x3）總計(jì) 12 個(gè)結(jié)果，這里僅貼出 HSGPIO 在 500MHz AHB/Core 時(shí)鐘頻率下的三種翻轉(zhuǎn)方法所得到的波形結(jié)果，全部測試結(jié)果見最后一節(jié)。

　　首先是 GPIO->DR 寄存器異或位操作得到的波形結(jié)果，為了減少 while(1) 的執(zhí)行對(duì)翻轉(zhuǎn)頻率的影響（畢竟這一句 B.N 跳轉(zhuǎn)指令也是要消耗 CPU 周期的），我們?cè)?while(1) 里加十次翻轉(zhuǎn)代碼，統(tǒng)計(jì)結(jié)果時(shí)取 5/10 個(gè)波形周期求平均，最終得到翻轉(zhuǎn)頻率為 22.946 MHz，效果似乎一般。匯編窗口來看，這句 C 代碼異或操作被翻譯成了三條指令，先 LDR 指令讀出 GPIO->DR 寄存器當(dāng)前值，然后 EOR 指令做異或操作，最后再 STR 指令寫入 GPIO->DR 寄存器，應(yīng)該是 LDR 回讀指令耗時(shí)較長。

　　再來看 GPIO->DR_TOGGLE 置位操作和 GPIO->DR 的直接寫入操作結(jié)果，實(shí)測下來發(fā)現(xiàn)這兩種方法得到的翻轉(zhuǎn)頻率是一樣的（從匯編窗口來看兩種翻轉(zhuǎn)方法都是僅一條 STR 指令搞定），都是 250MHz，效果雖好，但有點(diǎn)過頭，因?yàn)椴ㄐ卫锟吹降牟皇菢?biāo)準(zhǔn)幅值 3.3V 的方波（暫不確定是不是 200MHz 帶寬的示波器瓶頸），而是減半幅值（約 1.6V ）的正弦波，也不排除 PAD 最大運(yùn)行速度是 200MHz，它只能保證在低于 200MHz 的情況下有很好的電壓幅值響應(yīng)表現(xiàn)（包括翻轉(zhuǎn)斜率），超過這個(gè)頻率，波形頻率值不受影響，但電壓幅值響應(yīng)表現(xiàn)不能保證。

　　為了驗(yàn)證是不是示波器瓶頸，痞子衡找了臺(tái)更高性能的 Tektronix MSO5204（帶寬 2GHz, 采樣率 10GS/s），復(fù)測了一下這個(gè) 250MHz 的信號(hào)，得到結(jié)果略有改善，但幅度一樣有衰減（2.34V），還是 PAD 本身限制。

三、完整結(jié)果統(tǒng)計(jì)

　　現(xiàn)在我們來看一下全部的結(jié)果，因?yàn)槿N I/O 翻轉(zhuǎn)方法里有兩種效果是一樣的，所以我們省略了 GPIO->DR 直接寫入這種方法的結(jié)果，最終得到了 8 個(gè)結(jié)果。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，我們得到了如下結(jié)論：

• 總結(jié)1： PAD配置里的運(yùn)行頻率并不限制最終輸出翻轉(zhuǎn)頻率，只是無法保證超過設(shè)置頻率后的波形幅值響應(yīng)表現(xiàn)（包括翻轉(zhuǎn)斜率）
• 總結(jié)2： 置位 GPIO->DR_TOGGLE 寄存器可獲得最佳 I/O 翻轉(zhuǎn)性能
• 總結(jié)3： 普通 GPIO 翻轉(zhuǎn)頻率約是時(shí)鐘源 IPG Bus 的 1/7.5，極限翻轉(zhuǎn)頻率是 20.614MHz
• 總結(jié)4： HSGPIO 翻轉(zhuǎn)頻率約是時(shí)鐘源 AHB Bus 的 1/2，極限翻轉(zhuǎn)頻率是 250MHz

四、一個(gè)有趣的問題

　　最后再留一個(gè)開放問題，在痞子衡舊文 《以GPIO模塊為例談?wù)勚袛嗵幚砗瘮?shù)(IRQHandler)的標(biāo)準(zhǔn)流程》 里提到過 ARM Errata 838869 ，即在 Cortex-M4/7 上，如果 CPU 執(zhí)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 GPIO 外設(shè)寄存器寫入速度，如果代碼邏輯里涉及 GPIO 寄存器回讀，一般需要在 GPIO 寄存器寫入操作后額外插入 DSB 指令來保證同步。

　　我們現(xiàn)在在 500MHz AHB/Core 時(shí)鐘頻率下 HSGPIO 翻轉(zhuǎn)代碼里額外插入 DSB 指令，看看有什么影響，結(jié)果翻轉(zhuǎn)頻率從 250MHz 一下子降到了 35.8MHz。

　　至此，i.MXRT1010上的普通GPIO與高速GPIO極限翻轉(zhuǎn)頻率痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪里~~~

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