痞子衡嵌入式：實測i.MXRT1010上的普通GPIO與高速GPIO極限翻轉頻率

• 2021 年 11 月 12 日
• 筆記
• D2.單片機i.MXRT-CM7

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。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 系列裡普通 GPIO 和 HSGPIO 差異，今天我們就來實測它們的極限翻轉頻率，看看它們實際表現差別到底有多大。本次選擇的測試晶片是 i.MXRT1010，這顆晶片從功能上來說是目前 i.MXRT1xxx 系列裡的小兄弟，但別小看它，因為是後面推出的型號，恩智浦的設計團隊為它在某些方面做了特殊的性能優化，包括 HSGPIO 性能。話不多說，開測：

一、測試準備工作

1.1 測試板卡及測試點

　　選定的板卡是恩智浦官方 MIMXRT1010-EVK，板卡上連接 LED 燈的是 GPIO_11，翻看晶片參考手冊，這個 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 PAD 做測試。此外，最終 I/O 輸出波形形態跟外圍驅動電路也有關聯，所以這裡也有必要交待清楚：

1.2 I/O 翻轉測試程式碼

　　測試工程我們可以直接在 \SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1010\boards\evkmimxrt1010\driver_examples\gpio\led_output 常式上修改，為了儘力展示 GPIO 極限性能，不受其他瓶頸因素干擾，這裡選擇程式碼執行性能最高的工程 build（即程式碼段在 ITCM 里，數據段在 DTCM 里）。

　　I/O 初始化程式碼很簡單，在 《普通GPIO與高速GPIO差異及其用法》 文章里都介紹清楚了。這裡僅有一點注意，為了統一最終 I/O 輸出效果，不管是用於普通 GPIO 還是 HSGPIO，我們都直接將測試 PAD 配置到最快的 200MHz 運行頻率（PAD 支援的 50/100/150/200MHz 運行頻率配置不同有何影響，文章最後會交待）：

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, R0/6, 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 模組里跟電平輸出控制相關的暫存器有兩個，一個是 DR 暫存器，另一個是 DR_TOGGLE 暫存器，都可用於實現輸出電平翻轉。有如下程式碼所示的三種常見電平翻轉方法，在低翻轉頻率情況下，這三種方法是等效的，但是在極限翻轉頻率情況下，這三種方法表現不完全一致，下一節實測結果會告訴你：

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

        // 電平翻轉方法二：直接切換位
        //GPIO2->DR = 0x800;
        //GPIO2->DR = 0x000;

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

1.3 晶片系統時鐘配置

　　《普通GPIO與高速GPIO差異及其用法》 一文里講了，普通 GPIO 時鐘源是 IPG Bus，而 HSGPIO 時鐘源是 AHB Bus，因此測試工程里 AHB/IPG 時鐘配置會影響最終 I/0 翻轉極限頻率。下圖是 i.MXRT1010 內核結構里的 HSGPIO 通路，它和 i.MXRT1060/1170 內核結構里 HSGPIO 通路其實有點小區別，這也是 i.MXRT1010 上的優化之處。

　　led_output 常式里的默認系統時鐘配置，AHB/Core 時鐘來自於 PLL6 - 500MHz，AHB_PODF 設 0 （即不分頻），而 IPG Bus 時鐘源固定來自於 AHB/Core，且只能在其基礎上做 1/2/3/4 分頻，我們知道 IPG Bus 最高僅支援 150MHz，因此在這種情況下 IPG_PODF 只能設 3（四分頻），IPG 時鐘實際是 125MHz，顯然 HSGPIO 訪問可以得到最優性能，但普通 GPIO 達不到最優性能。

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

二、測試波形結果

　　準備工作都做完了，現在就是示波器連上板卡開始實測了，根據組合，一共有時鐘配置（x2）* I/O 類型（x2）* 翻轉方法（x3）總計 12 個結果，這裡僅貼出 HSGPIO 在 500MHz AHB/Core 時鐘頻率下的三種翻轉方法所得到的波形結果，全部測試結果見最後一節。

　　首先是 GPIO->DR 暫存器異或位操作得到的波形結果，為了減少 while(1) 的執行對翻轉頻率的影響（畢竟這一句指令也是要消耗 CPU 周期的），我們在 while(1) 里加十次翻轉程式碼，統計結果時也是取 10 個波形周期，最終得到翻轉頻率為 22.946 MHz，效果似乎一般。彙編窗口來看，這句 C 程式碼異或操作被翻譯成了三條指令，先 LDR 指令讀出 GPIO->DR 暫存器當前值，然後 EOR 指令做異或操作，最後再 STR 指令寫入 GPIO->DR 暫存器，應該是 LDR 回讀指令耗時較長。

　　再來看 GPIO->DR_TOGGLE 置位操作和 GPIO->DR 的直接寫入操作結果，實測下來發現這兩種方法得到的翻轉頻率是一樣的（從彙編窗口來看兩種翻轉方法都是僅一條 STR 指令搞定），都是 250MHz，效果雖好，但有點過頭，因為波形里看到的不是標準幅值的方波，而是減半幅值的正弦波，這是因為 PAD 最大運行速度是 200MHz，它只能保證在低於 200MHz 的情況下有很好的電壓幅值響應表現，超過這個頻率，波形頻率值不受影響，但電壓幅值響應表現不能保證。

三、完整結果統計

　　現在我們來看一下全部的結果，因為三種 I/O 翻轉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果，最終得到了 8 個結果。根據實測結果，我們得到了如下結論：

• 總結1： PAD配置里的運行頻率並不限制最終輸出翻轉頻率，只是無法保證超過設置頻率後的波形幅值響應表現
• 總結2： 置位 GPIO->DR_TOGGLE 暫存器可獲得最佳 I/O 翻轉性能
• 總結3： 普通 GPIO 最大翻轉頻率是 20.614MHz，約是時鐘源 IPG Bus 的 1/7.5
• 總結4： HSGPIO 最大翻轉頻率是 250MHz，約是時鐘源 AHB Bus 的 1/2

四、一個有趣的問題

　　最後再留一個開放問題，在痞子衡舊文 《以GPIO模組為例談談中斷處理函數(IRQHandler)的標準流程》 里提到過 ARM Errata 838869 ，即在 Cortex-M4/7 上，如果 CPU 執行速度遠遠高於 GPIO 外設暫存器寫入速度，如果程式碼邏輯里涉及 GPIO 暫存器回讀，一般需要在 GPIO 暫存器寫入操作後額外插入 DSB 指令來保證同步。

　　我們現在在 500MHz AHB/Core 時鐘頻率下 HSGPIO 翻轉程式碼里額外插入 DSB 指令，看看有什麼影響，結果翻轉頻率從 250MHz 一下子降到了 35.8MHz。

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

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