单片机开发---RP2040数据手册之PIO功能

手册第三章

3.1 概述（Overview）

RP2040 包含两个 PIO 子系统：PIO0 和 PIO1。每个 PIO 提供了 灵活的可编程状态机（state machines），可以用来实现几乎任何串行或并行通信协议，而不占用 CPU 资源。
每个 PIO 包含：

• 4 个独立的状态机（state machines）
• 32 条指令内存（instruction memory）
• FIFO 缓冲区（TX 和 RX）
• GPIO 映射逻辑
• IRQ 和 DMA 接口

这些状态机可以协同工作，实现如 WS2812、DVI、I2C、SPI、UART、Manchester 编码等协议，甚至是自定义协议。

3.2 程序员模型（Programmer’s Model）

3.2.1 PIO 程序（PIO Programs）

PIO 程序是用一种小型汇编语言编写的，最多支持 32 条指令。每条指令执行一个时钟周期，支持以下操作：

指令	功能
jmp	条件跳转
wait	等待 GPIO 电平或边沿
in	从 GPIO/FIFO/引脚读取数据
out	向 GPIO/FIFO/引脚输出数据
push	将数据推入 RX FIFO
pull	从 TX FIFO 拉取数据
mov	在寄存器之间移动数据
irq	触发中断
set	设置 GPIO 状态

3.2.2 控制流程（Control Flow）

状态机可以：

• 独立运行
• 同步运行（使用 IRQ 或 FIFO）
• 通过 jmp 实现循环、分支
• 使用 wait 实现精确时序控制

3.2.3 寄存器（Registers）

每个状态机都拥有少量内部寄存器。这些寄存器用于保存输入或输出数据，以及临时值（例如循环计数器变量）
每个状态机有以下寄存器：

寄存器名	功能
x, y	通用 scratch 寄存器
isr	输入移位寄存器
osr	输出移位寄存器
pc	程序计数器
shiftctr	移位计数器
execctrl	执行控制寄存器（如 autopull、autopush）
pinctrl	引脚控制寄存器（如引脚映射、方向）

3.2.3.1 输出移位寄存器（OSR）

图 40. 输出移位寄存器（OSR）
输出移位寄存器（OSR）用于在 TX FIFO 与引脚（或其他目标，如暂存寄存器）之间缓存并移位输出数据。

• PULL 指令：从 TX FIFO 中取出 1 个 32 位字，并加载到 OSR。
• OUT 指令：将 OSR 中的数据逐位输出（每次 1~32 位），输出方向可配置为左移或右移。
• 数据回收：未使用的输出数据会被双向移位器回收。
• 自动重载：当 OSR 为空时，若启用了 autopull，状态机会自动从 TX FIFO 重新加载一个新的 32 位字。
• OSR 在数据移出过程中，空出的位会被自动填充为 0。

解释一下autopull功能
未启用 autopull 的版本（pull_example1）

program pull_example1
loop:out pins, 8        ; 输出 8 位到引脚pull               ; 手动从 TX FIFO 拉取 32 位数据到 OSRout pins, 8 [1]    ; 再次输出 8 位，延迟 1 个周期out pins, 8 [1]    ; 输出第 3 个 8 位，延迟 1 个周期out pins, 8        ; 输出第 4 个 8 位jmp loop

autopull 简化版（pull_example2）
启用 autopull后，硬件会在 OSR 空时自动从 FIFO 重新加载数据。状态机若尝试从空 OSR 输出，会自动暂停。
优点：

• 无需手动使用 pull 指令；
• 吞吐量更高：若 FIFO 保持充足，可每个时钟周期输出 32 位。

简化后的程序如下，功能与上例完全一致：

program pull_example2
loop:out pins, 8        ; 每 2 个时钟周期输出 1 字节jmp loop

使用程序循环包装进一步优化（pull_example3）
启用程序包装后，可进一步简化代码，并实现每个系统时钟周期输出 1 字节：

program pull_example3
.wrap_targetout pins, 8 [1]    ; 每周期输出 1 字节
.wrap

✅ 总结

版本	是否手动 pull	是否使用 autopull	是否使用程序包装	输出速率
示例 1	✅ 是	❌ 否	❌ 否	每 2 周期 1 字节
示例 2	❌ 否	✅ 是	❌ 否	每 2 周期 1 字节
示例 3	❌ 否	✅ 是	✅ 是	每周期 1 字节

3.2.3.2 输入移位寄存器（ISR）

功能与OSR相反，从IO读取数据，写入数据缓冲区

图 41 输入移位寄存器（ISR）与数据 RXFIFO
移位寄存器：

• 每次通过引脚接收 1～32 位数据
• 当前内容向左或向右移位，为新数据腾出空间
• IN 指令每次将 1～32 位数据移入寄存器
• 寄存器装满后，其内容被写入 RX FIFO
• PUSH 指令将 ISR 内容写入 RX FIFO，随后 ISR 被清零
• 如果启用了自动推送（autopush），当移入数据达到设定的移位阈值后，状态机会在 IN 指令执行时自动推送 ISR 内容至 RX FIFO。

移位方向可通过处理器的配置寄存器进行设置。
对于 UART 等外设，由于线路顺序是 LSB 在前，因此必须从左端移入才能保证位序正确；然而，处理器可能期望最终字节右对齐。
为解决此问题，提供了特殊的 null 输入源，允许程序员在数据之后向 ISR 中移入若干位 0。

3.2.3.3. 移位计数器

状态机通过硬件计数器记录通过 OUT 指令从输出移位寄存器（OSR）移出以及通过 IN 指令移入输入移位寄存器（ISR）的总位数。这些信息始终由一对硬件计数器跟踪——输出移位计数器和输入移位计数器——每个计数器的值范围为 0 到 32（包含 32）。每次移位操作时，相关计数器会增加移位数，最大值为 32（等于移位寄存器的宽度）。状态机可以配置为在计数器达到可配置阈值时执行特定操作：

• 当移出一定数量的位后，OSR 可以自动重新填充。详见第 3.5.4 节。
• 当移入一定数量的位后，ISR 可以自动清空。详见第 3.5.4 节。
• PUSH 或 PULL 指令可以根据输入或输出移位计数器进行条件判断。

在 PIO 复位或 CTRL_SM_RESTART 信号断言时，输入移位计数器被清零（尚未移入任何位），输出移位计数器初始化为 32（没有剩余位需要移出；完全耗尽）。其他一些指令会影响移位计数器：

• 成功的 PULL 操作将输出移位计数器清零。
• 成功的 PUSH 操作将输入移位计数器清零。
• MOV OSR，…（即任何写入 OSR 的 MOV 指令）将输出移位计数器清零。
• MOV ISR，…（即任何写入 ISR 的 MOV 指令）将输入移位计数器清零。
• OUT ISR，count 设置输入移位计数器为 count。

3.2.3.4. 暂存寄存器

每个状态机有两个32位的内部暂存寄存器，称为 X 和 Y。
它们用作：

• IN/OUT/SET/MOV 指令的源/目标
• 分支条件的源

例如，假设我们想要为“1”数据位产生一个长脉冲，为“0”数据位产生一个短脉冲：

.program ws2812_led
public entry_point:pull                ; 拉取操作set x, 23           ; 设置 x 为 23，循环 24 位
bitloop:set pins, 1         ; 将引脚驱动为高电平out y, 1 [5]        ; 移出 1 位，并将其写入 yjmp !y skip         ; 如果位为 0，则跳过额外的延迟nop [5]             ; 无操作，延迟 5 个周期
skip:set pins, 0 [5]     ; 将引脚驱动为低电平，延迟 5 个周期jmp x-- bitloop     ; 如果 x 不为零，则跳回 bitloop，并递减 xjmp entry_point     ; 跳转到入口点

在这里，X 用作循环计数器，Y 用作从 OSR 分支到单个位的临时变量。该程序可以用于驱动 WS2812 LED 接口，尽管更紧凑的实现是可能的（例如，仅用 3 条指令）。
MOV 指令允许使用暂存寄存器来保存/恢复移位寄存器，例如，如果您想重复移出相同的序列。

3.2.3.5. FIFO

每个状态机都有一对4字深度的FIFO，一个用于从系统到状态机（TX）的数据传输，另一个用于从状态机到系统（RX）。TX FIFO由系统总线主设备（如处理器或DMA控制器）写入，而RX FIFO由状态机写入。FIFO解耦了PIO状态机和系统总线的时序，使状态机能够在没有处理器干预的情况下运行更长时间。
FIFO还生成数据请求（DREQ）信号，允许系统DMA控制器根据RX FIFO中的数据存在或TX FIFO中新数据的空间来调整其读写操作。这使得处理器可以设置一个长事务，可能涉及许多千字节的数据，而无需进一步的处理器干预。
通常，状态机只在一个方向上传输数据。在这种情况下，SHIFTCTRL_FJOIN选项可以将两个FIFO合并为一个单向8字深度的FIFO。这对于DPI等高带宽接口非常有用。

3.2.4. 暂停

状态机可能会因为多种原因暂时暂停执行：

• WAIT 指令的条件尚未满足
• 当 TX FIFO 为空时的阻塞 PULL，或当 RX FIFO 已满时的阻塞 PUSH
• 设置了 IRQ 标志并等待其清除的 IRQ WAIT 指令
• 启用了自动拉取（autopull）时的 OUT 指令，并且 OSR 已经达到其移位阈值
• 启用了自动推送（autopush）时的 IN 指令，ISR 达到其移位阈值，并且 RX FIFO 已满

在这种情况下，程序计数器不会前进，状态机将在下一个周期继续执行该指令。如果指令指定在下一个指令开始之前有一些延迟周期，则这些延迟周期在暂停清除后才会计时。

3.2.5. 引脚映射

PIO 控制多达 32 个 GPIO 的输出电平和方向，并可以观察它们的输入电平。在每个系统时钟周期，每个状态机可以执行以下操作之一或两者：

• 通过 OUT 或 SET 指令更改某些 GPIO 的电平或方向，或通过 IN 指令读取某些 GPIO
• 通过边设操作更改某些 GPIO 的电平或方向

这些操作中的每一个都作用于四个连续的 GPIO 范围之一，每个范围的基地址和计数通过每个状态机的 PINCTRL 寄存器配置。对于 OUT、SET、IN 和边设操作，每个操作都有一个范围。每个范围可以覆盖给定 PIO 块（在 RP2040 上这是 30 个用户 GPIO）的任何 GPIO，并且这些范围可以重叠。
对于每个单独的 GPIO 输出（电平和方向），PIO 会考虑该周期内可能发生的所有 8 次写操作，并应用来自编号最高的状态机的写操作。如果同一个状态机同时对同一个 GPIO 执行 SET/OUT 和边设操作，则使用边设操作。如果没有状态机写入该 GPIO 输出，则其值不会从前一个周期改变。
通常，每个状态机的输出映射到一组不同的 GPIO，实现某些外设接口。

3.2.6. IRQ 标志

IRQ 标志是状态位，可以由状态机或系统设置或清除。总共有 8 个：所有 8 个对所有状态机都是可见的，并且较低的 4 个也可以通过 IRQ0_INTE 和 IRQ1_INTE 控制寄存器掩码到 PIO 的一个中断请求线。
它们有两个主要用途：

• 从状态机程序中断言系统级中断，并可选地等待中断被确认
• 在两个状态机之间同步执行

状态机通过 IRQ 和 WAIT 指令与这些标志进行交互。

3.2.7. 状态机之间的交互

指令存储器被实现为一个1写4读的寄存器文件，因此所有四个状态机可以在同一个周期内读取指令，而不会停顿。
应用多个状态机有三种方式：

• 在同一个程序中指向多个状态机
• 在不同的程序中指向多个状态机
• 使用多个状态机运行同一接口的不同部分，例如 UART 的发送（TX）和接收（RX）端，或 DPI 显示器上的时钟/同步和像素数据

状态机之间不能直接通信数据，但可以通过使用 IRQ 标志进行同步。总共有 8 个标志（其中较低的 4 个可以被掩码用作系统 IRQ），每个状态机可以使用 IRQ 指令设置或清除任何标志，并可以使用 WAIT IRQ 指令等待某个标志变高或变低。这允许状态机之间进行周期精确的同步。

3.3 PIO 汇编器（pioasm）

pioasm 是官方提供的 PIO 汇编器，支持以下语法：

3.3.1 指令

以下指令用于控制 PIO 程序的组装。

指令	描述
.define (PUBLIC) <symbol> <value>	定义一个名为 <symbol> 的整数符号，其值为 <value>。如果 .define 出现在第一个程序之前，则为全局定义。
.program <name>	以 <name> 名称开始一个新的程序。程序持续到另一个 .program 指令或源文件结束。
.origin <offset>	可选指令，用于指定程序必须加载的 PIO 指令内存偏移量。通常用于必须在偏移量 0 处加载的程序。
.side-set <count> (opt) <pinds>	指定要使用的边集位的数量。可选的 opt 参数指定 side_values，pinds 参数指示边集值应用于 PINDIRs 而不是 PINs。
.wrap_target	放置在指令之前，指定由于程序包装而继续执行的指令。只能在程序内使用一次。
.wrap	放置在指令之后，指定在正常控制流之后程序将包装到 wrap_target 指令。只能在程序内使用一次。
.lang_opt <lang> <name> <option>	为特定语言生成器指定与程序相关的选项。只在程序内有效。<