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1、第5章 嵌入式系统输入输出设备接口5.1 GPIO（通用输入/输出接口）5.1.1 GPIO原理与结构nGPIO（General Purpose I/O，通用输入/输出接口）也称为并行 I/O（parallel I/O），是最基本的I/O形式，由一组输入引脚、输 出引脚或输入/输出引脚组成，CPU对它们能够进行存取操作。有 些GPIO引脚能够通过软件编程改变输入/输出方向。n一个双向GPIO端口（D0）的简化功能逻辑图如图5.1.1所示，图 中PORT为数据寄存器和DDR（Data Direction Register）为数据 方向寄存器。图5.1.1 双向GPIO功能逻辑图nDDR设置端口的
2、方向。如果DDR的输出为1，则GPIO端口为输出 形式；如果DDR的输出为零，则GPIO端口为输入形式。写入WR DDR信号能够改变DDR的输出状态。DDR在微控制器地址空间 中是一个映射单元。这种情况下，如果需要改变DDR，则需要将 恰当的值置于数据总线的第0位（即D0），同时激活WRDDR信 号。读DDR，就能得到DDR的状态，同时激活RDDDR信号。n如果设置PORT引脚端为输出，则PORT寄存器控制着该引脚端状 态。如果将PORT引脚端设置为输入，则此输入引脚端的状态由引 脚端上的逻辑电路层来实现对它的控制。对PORT寄存器的写操作 ，需要激活WRPORT信号。PORT寄存器也映射到微
3、控制器的地 址空间。需指出，即使当端口设置为输入时，如果对PORT寄存器 进行写操作，并不会对该引脚产生影响。但从PORT寄存器的读出 ，不管端口是什么方向，总会影响该引脚端的状态。5.1.2 S3C2410A输入输出端口编程实例nS3C2410A共有117个多功能复用输入输出端口（I/O口），分 为端口A端口H共8组。为了满足不同系统设计的需要，每个I/O 口可以很容易地通过软件对进行配置。每个引脚的功能必须在启 动主程序之前进行定义。如果一个引脚没有使用复用功能，那么 它可以配置为I/O口。注意：端口A除了作为功能口外，只能够作 为输出口使用。n在S3C2410A中，大多数的引脚端都是复用
4、的，所以对于每一个引 脚端都需要定义其功能。为了使用I/O口，首先需要定义引脚的功 能。每个引脚端的功能通过端口控制寄存器（PnCON）来定义（ 配置）。与配置I/O口相关的寄存器包括：端口控制寄存器（ GPACONGPHCON）、端口数据寄存器（GPADATGPHDAT） 、端口上拉寄存器（GPBUPGPHUP）、杂项控制寄存器以及外 部中断控制寄存器（EXTINTN）等。S3C2410A的I/O口配置情况 请参考第3章如表3.4.13.4.7所列。n下面介绍一个通过G口的控制发光二极管LED1和LED2轮流闪烁 I/O口编程实例徐英慧。n对I/O口的操作是通过对相关各个寄存器的读写实现的。
5、要对寄 存器进行读写操作，首先要对寄存器进行定义。有关I/O口相关 寄存器的宏定义代码如下：/Port A控制寄存器#definerGPACON （*（volatile unsigned*）0x56000000）/Port A数据寄存器#definerGPADAT （*（volati1e unsigned*）0x56000004）/Port B控制寄存器#definerGPBCON （*（volatile unsigned*）0x56000010） /Port B数据寄存器#definerGPBDAT （*（volatile unsigned*）0x56000014）/Port B上拉电阻禁止
6、寄存器#definerGPBUP （*（volatile unsigned*）0x56000018）/Port C控制寄存器 #definerGPCCON （*（volatile unsigned*）0x56000020） /Port C数据寄存器 #definerGPCDAT （*（volatile unsigned*）0x56000024） /Port C上拉电阻禁止寄存器 #definerGPCUP （*（volatile unsigned*）0x56000028） /Port D控制寄存器 #definerGPDCON （*（volatile unsigned*）0x56000030）
7、 /Port D数据寄存器 #definerGPDDAT （*（volatile unsigned*）0x56000034） /Port D上拉电阻禁止寄存器 #definerGPDUP （*（volatile unsigned*）0x56000038）/Port E控制寄存器 #definerGPECON （*（volatile unsigned*）0x56000040） /Port E数据寄存器 #definerGPEDAT （*（volatile unsigned*）0x56000044） /Port E上拉电阻禁止寄存器 #definerGPEUP （*（volatile unsign
8、ed*）0x56000048） /Port F控制寄存器 #definerGPFCON （*（volatile unsigned*）0x56000050） /Port F数据寄存器 #definerGPFDAT （*（volatile unsigned*）0x56000054） /Port F上拉电阻禁止寄存器 #definerGPFUP （*（volatile unsigned*）0x56000058）/Port G控制寄存器 #definerGPGCON （*（volati1e unsigned*）0x56000060） /Port G数据寄存器 #definerGPGDAT （*（vol
9、atile unsigned*）0x56000064） /Port G上拉电阻禁止寄存器 #definerGPGUP （*（volatile unsigned*）0x56000068） /Port H控制寄存器 #definerGPHCON （*（volatile unsigned*）0x56000070） /Port H数据寄存器 #definerGPHDAT （*（volatile unsigned*）0x56000074） /Port H上拉电阻禁止寄存器 #definerGPHUP （*（volatile unsigned*）0x56000078）n要想实现对G口的配置，只要在地址0x
10、5600 0060中给32位的每一 位赋值就可以了。如果G口的某个引脚被配置为输出引脚，在 PDATG对应的地址位写入1时，该引脚输出高电平；写入0时该引 脚输出低电平。如果该引脚被配置为功能引脚，则该引脚作为相 应的功能引脚使用。n下面是实现LED1和LED2轮流闪烁的程序代码。void Main（void）int flag，i；Target Init（）；/进行硬件初始化操作，包括对IO口的初始化操作for（；）if（flag = = 0）for（i = 0；i Vi的情况时，此时，比较器的输 出为低电平，使计数控制信号C为0，计数器停止计数。这时候数字 输出量D7D0就是与模拟电压等效的
11、数字量。计数控制信号由高 变低的负跳变也是A/D转换的结束信号，表示已完成一次A/D转换。n计数式A/D转换器结构简单，但转换速度较慢。n2双积分式A/D转换器原理n双积分式A/D转换器对输入模拟电压和参考电压进行两次积分， 将电压变换成与其成正比的时间间隔，利用时钟脉冲和计数器测 出其时间间隔，完成A/D转换。双积分式A/D转换器主要包括积分 器、比较器、计数器和标准电压源等部件，其电路结构图如图 5.2.2（a）所示。n双积分式A/D转换器的转换过程如下：n首先对输入待测的模拟电压Vi进行固定时间的积分；n然后转换到标准电压VR进行固定斜率的反向积分（定值积分 ）， 如图5.2.2（b）所
12、示。反向积分进行到一定时间，便返回起始值 。从图5.2.2（b）中可看出对标准电压VR进行反向积分的时间T2 正比于输入模拟电压，输入模拟电压越大，反向积分回到起始值 的时间T越长，有Vi（T2/T1）VR。n用标准时钟脉冲测定反向积分时间（如计数器），就可以得到对 应于输入模拟电压的数字量，实现A/D转换。n双积分式A/D转换器具有很强的抗工频干扰能力，转换精度高， 但速度较慢。图5.2.2 （a）双积分式A/D转换器电路结构图 双积分式A/D转换图图5.2.2 （b）积分输出波形 n3逐次逼近式A/D转换器原理n逐次逼近式A/D转换器电路结构如图5.2.3所示，其工作过程可与 天平称重物类
13、比，图中的电压比较器相当于天平，被测电压Ux相 当于重物，基准电压Ur相当于电压法码。该方案具有各种规格的 按8421编码的二进制电压法码Ur，根据UxUr，比较器 有不同的输出以打开或关闭逐次逼近寄存器的各位。输出从大到 小的基准电压法码，与被测电压Ux比较，并逐渐减小其差值，使 之逼近平衡。当Ux=Ur时，比较器输出为零，相当于天平平衡， 最后以数字显示的平衡值即为被测电压值。n逐次逼近式A/D转换器转换速度快，转换精度较高，对N位A/D转 换只需N个时钟脉冲即可完成，可用于测量微秒级的过渡过程的 变化，是在计算机系统中采用最多的一种A/D转换方法。图5.2.3 逐次逼近式A/D转换器电路
14、结构n4A/D转换器的主要指标n（1）分辨率（Resolution）n分辨率用来反映A/D转换器对输入电压微小变化的响应能力，通 常用数字输出最低位（LSB）所对应的模拟输入的电平值表示。n 位A/D转换能反应1/2n满量程的模拟输入电平。分辨率直接与转 换器的位数有关，一般也可简单地用数字量的位数来表示分辨率 ，即n位二进制数，最低位所具有的权值，就是它的分辨率。n值得注意的是，分辨率与精度是两个不同的概念，不要把两者相 混淆。即使分辨率很高，也可能由于温度漂移、线性度等原因， 而使其精度不够高。n（2）精度（Accuracy）n精度有绝对精度（Absolute Accuracy）和相对精度
15、（Relative Accuracy）两种表示方法。n绝对精度：n在一个转换器中，对应于一个数字量的实际模拟输入电压和理想 的模拟输入电压之差并非是一个常数。把它们之间的差的最大值 ，定义为“绝对误差”。通常以数字量的最小有效位（LSB）的分数值来表示绝对精度，如1LSB。绝对误差包括量化精度和其他所有精 度。n相对精度n是指整个转换范围内，任一数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论 值之差，用模拟电压满量程的百分比表示。n例如，满量程为l0V，10位A/D芯片，若其绝对精度为1/2LSB，则其最 小有效位的量化单位为9.77mV，其绝对精度为4.88mV，其相对精度为 0.048%。n转换时
16、间（Conversion Time）n转换时间是指完成一次A/D转换所需的时间，即由发出启动转换命令信 号到转换结束信号开始有效的时间间隔。n转换时间的倒数称为转换速率。例如AD570的转换时间为25us，其转换 速率为40kHz。n量程n量程是指所能转换的模拟输入电压范围，分单极性、双极性两种类型。n例如，单极性的量程为0+5V，0+10V，0+20V；双极性的量程为 -5+5V，-10+l0V。5.2.2 S3C2410A的AD转换器n1S3C2410A A/D转换器和触摸屏接口电路nS3C2410A包含一个8通道的A/D转换器，内部结构见图5.2.4，该 电路可以将模拟输入信号转换成10位数字编码（10位分辨率）， 差分线性误差为1.0 LSB，积分线性误差为2.0 LSB。在 A/D转换时钟频率为2.5 MHz时，其最大转换率为500 KSPS（Kilo Samples Per Second，千采样点每秒），输入电压范围是03.3V 。A/D转
