ความนิยมของบอร์ด Raspberry Pico ที่ขับเคลื่อนด้วย ไมโครคอนโทรลเลอร์ R P2040 ทำให้ผู้อ่านทุกคนต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับบอร์ดและชิป ดังนั้นวันนี้เราจะมาพูดถึง วงจรภายใน Programmable I/O ของ RP2040 ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ทำให้แตกต่างจากบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์อื่น ๆ ส่วนใหญ่

PIO จำนวน 2 บล็อก (PIO0 & PIO1) หรือจะเรียกว่าอินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์ใน RP2040 มีวงจร Programmable State Machines อย่างละ 4 ชุด บล็อกPIO ทั้งสองนี้สามารถรันโปรแกรมพร้อมกันเพื่อจัดการ GPIO และถ่ายโอนข้อมูลดิบ ตอนนี้ State machine เหล่านี้ทำอะไร? PIO State machine ดำเนินการโปรแกรมที่ดึงมาจากแหล่งต่างๆ บางครั้งโปรแกรมจะถูกนำมาจากไลบรารี PIO (UART, SPI หรือ I2C) หรือซอฟต์แวร์สำหรับผู้ใช้

ทำไม Programmable I/O?

บอร์ดทั้งหมดมักจะมาพร้อมกับการสนับสนุนฮาร์ดแวร์สำหรับโปรโตคอลการสื่อสารดิจิทัลเช่น I2C, SPI และ UART อย่างไรก็ตามหากคุณวางแผนที่จะใช้อินเทอร์เฟซเหล่านี้มากกว่าที่มีอยู่บนบอร์ด คุณสามารถใช้ Programmable I/O ได้ที่มีให้ในไมโครคอนโทรลเลอร์ RP2040

มีสิ่งที่ดีกว่าที่คิด สมมติว่าคุณต้องการเอาต์พุตวิดีโอ DPI หรือ “สื่อสารกับอุปกรณ์อนุกรมที่พบใน AliExpress” ก็สามารถทำได้ด้วย Programmable I/O ได้ ตามชื่อที่ระบุไว้ Programmable I/O ทำให้ชัดเจนว่าสามารถตั้งโปรแกรมได้โดยตรงเพื่อรองรับอินเทอร์เฟซต่างๆรวมถึงอินเทอร์เฟซการ์ด SD, เอาต์พุต VGA และการถ่ายโอนข้อมูลความเร็วสูง รอก่อน! เรามีส่วนที่น่าตื่นเต้นที่สุดของบทความที่กำลังจะมาถึงนั่นคือ Programmable I/O เพื่อให้งานของคุณง่ายขึ้น

เราจะเริ่มต้นกับการเขียนโปรแกรม Programmable I/O ของ RP2040 ได้อย่างไร

Pico SDK (Software Development Kit) ให้ส่วนหัวไลบรารีและระบบสร้างที่จำเป็นในการเขียนโปรแกรมสำหรับอุปกรณ์ที่ใช้ RP2040 เช่น Raspberry Pi Pico ในภาษา C, C++ หรือ Arm assembly

หากคุณวางแผนที่จะใช้ Python ในการเขียนโค้ดคุณต้องใช้ตัวแก้ไขที่เหมาะสมเท่านั้น (สมมติว่า Thonny) และ MicroPython ที่ติดตั้งบนบอร์ดพัฒนา แต่ในกรณีของ ภาษา C/C++ คุณต้องใช้ไฟล์ CMake ที่บอก Pico SDK ว่าจะเปลี่ยนไฟล์ C ให้เป็นแอปพลิเคชั่นไบนารีสำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ RP2040 ตามที่อธิบายไว้ในบทเรียนแนะนำ MicroPython และ ภาษา C สำหรับ Raspberry Pi Pico ล่าสุด

PIO Assembler จะแยกวิเคราะห์ไฟล์ต้นฉบับ PIO และเอาต์พุตเวอร์ชันที่ประกอบพร้อมสำหรับการรวมในแอปพลิเคชัน RP2040 ซึ่งรวมถึงแอปพลิเคชัน C และ C++ ที่สร้างขึ้นจาก Pico SDK และโปรแกรม Python ที่ทำงานบนพอร์ต RP2040 MicroPython

ในการเริ่มต้นด้วยการเขียนโปรแกรม State machine สำหรับแอปพลิเคชัน PIO ของคุณมีส่วนประกอบ 3 อย่าง สำหรับโปรแกรมที่ใช้ภาษา C/C++

- A PIO โปรแกรม
- C-language ซอฟต์แวร์ที่ใช้ภาษา C รันเพื่อแสดง
- A CMake ไฟล์ที่อธิบายถึงวิธีการรวมทั้งสองนี้เป็นอิมเมจโปรแกรมเพื่อโหลดลงในบอร์ดพัฒนาที่ใช้ RP2040

คำสั่งในการเขียนโปรแกรมสำหรับ PIO

ตอนนี้เมื่อพูดถึงการเขียนโปรแกรมอินเทอร์เฟซ I/O จะใช้ภาษาAssembly มีเและพียง 9 คำสั่ง “JMP, WAIT, IN, OUT, PUSH, PULL, MOV, IRQ และ SET” แม้ว่าคนส่วนใหญ่อาจสนใจในการเขียนโปรแกรมอินเทอร์เฟซ PIO ด้วยภาษา C / C++ หรือ Python แต่ให้เราดูคำสั่งภาษาAssembly บางส่วนที่ใช้สำหรับอินเทอร์เฟซ I/O

- JMP: คำสั่ง “jump” นี้อาจเป็นคำสั่งที่มีเงื่อนไขหรือไม่ใช่เงื่อนไขก็ได้ ในการนี้จะถ่ายโอนขั้นตอนการดำเนินการโดยการเปลี่ยนการลงทะเบียนตัวชี้คำสั่ง กล่าวง่ายๆคือด้วยคำสั่ง “jmp” ขั้นตอนการดำเนินการจะไปยังส่วนอื่นของโค้ด
- WAIT: คำสั่งนี้จะหยุดการทำงานของโค้ด แต่ละคำสั่งใช้เวลาหนึ่งรอบเว้นแต่จะหยุดทำงาน (โดยใช้คำสั่ง WAIT)
- OUT: คำสั่งนี้จะเปลี่ยนข้อมูลจากการลงทะเบียนกับเอาต์พุตไปยังปลายทางอื่น ๆ ครั้งละ 1 … 32 บิต
- PULL: คำสั่งนี้จะแสดงคำ 32 บิตจาก TX FIFO ลงในรีจิสเตอร์กะเอาต์พุต
- IN: คำสั่งนี้จะเปลี่ยน 1 …ครั้งละ 32 บิตในรีจิสเตอร์
- PUSH: คำสั่งนี้เพื่อเขียนเนื้อหา ISR ไปยัง RX FIFO

ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับคำสั่งภาษาแอสเซมบลีมีอยู่ใน แผ่นข้อมูลRP2040

ตัวอย่างการใช้ภาษา C/C++ และ MicroPython ในการเขียนโปรแกรม Programmable I/O ของ RP2040

ทำให้ง่ายขึ้นเราจะตรวจสอบโปรแกรมของ hello_world ที่กะพริบ LED ออนบอร์ดโดย Programmable I/O และนำข้อมูลข้อมูล ขนาด 32 บิตไปใส่หรืออ่านข้อมูลจาก FIFO (คำสั่ง PULL)

โปรแกรมใน C/C ++ มีลักษณะดังนี้:

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pio.h"
// Our assembled program:
#include "hello.pio.h"

int main() {
    // Choose which PIO instance to use (there are two instances)
    PIO pio = pio0;

    // Our assembled program needs to be loaded into this PIO's instruction
    // memory. This SDK function will find a location (offset) in the
    // instruction memory where there is enough space for our program. We need
    // to remember this location!
    uint offset = pio_add_program(pio, &hello_program);

    // Find a free state machine on our chosen PIO (erroring if there are
    // none). Configure it to run our program, and start it, using the
    // helper function we included in our .pio file.
    uint sm = pio_claim_unused_sm(pio, true);
    hello_program_init(pio, sm, offset, PICO_DEFAULT_LED_PIN);

    // The state machine is now running. Any value we push to its TX FIFO will
    // appear on the LED pin.
    while (true) {
        // Blink
        pio_sm_put_blocking(pio, sm, 1);
        sleep_ms(500);
        // Blonk
        pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0);
        sleep_ms(500);
    }
}

#include "pico/stdlib.h"

#include "hardware/pio.h"

// Our assembled program:

#include "hello.pio.h"

int main() {

// Choose which PIO instance to use (there are two instances)

PIO pio = pio0;

// Our assembled program needs to be loaded into this PIO's instruction

// memory. This SDK function will find a location (offset) in the

// instruction memory where there is enough space for our program. We need

// to remember this location!

uint offset = pio_add_program(pio, &hello_program);

// Find a free state machine on our chosen PIO (erroring if there are

// none). Configure it to run our program, and start it, using the

// helper function we included in our .pio file.

uint sm = pio_claim_unused_sm(pio, true);

hello_program_init(pio, sm, offset, PICO_DEFAULT_LED_PIN);

// The state machine is now running. Any value we push to its TX FIFO will

// appear on the LED pin.

while (true) {

// Blink

pio_sm_put_blocking(pio, sm, 1);

sleep_ms(500);

// Blonk

pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0);

sleep_ms(500);

}

รหัส C/C++ ด้านบนจะกะพริบ LED หนึ่งรอบครบ 1 วินาที LED ถูกตั้งโปรแกรมในลักษณะที่จะเปิดเป็นเวลา 500 มิลลิวินาทีตามด้วยปิดเป็นเวลา 500 มิลลิวินาที แต่ก่อนstate machine จะรันโปรแกรมได้เราจำเป็นต้องโหลดโปรแกรมลงในหน่วยความจำคำสั่งนี้ “ ฟังก์ชัน pio_add_program () ค้นหาพื้นที่ว่างสำหรับโปรแกรมของเราในหน่วยความจำคำสั่งของ PIO ที่กำหนดและโหลดขึ้นมา” ด้วยเหตุนี้เราจึงกำหนดค่าstate machine ให้ส่งออกข้อมูลไปยัง LED ออนบอร์ด

รหัสแอสเซมบลีสำหรับไฟล์. pio ที่แสดงด้านล่างมีฟังก์ชันตัวช่วย C ทั้งหมดเพื่อตั้งรหัส C/C++

.program hello
loop:
    pull
    out pins, 1
    jmp loop

% c-sdk {
static inline void hello_program_init(PIO pio, uint sm, uint offset, uint pin) {
    pio_sm_config c = hello_program_get_default_config(offset);

    // Map the state machine's OUT pin group to one pin, namely the `pin`
    // parameter to this function.
    sm_config_set_out_pins(&c, pin, 1);
    // Set this pin's GPIO function (connect PIO to the pad)
    pio_gpio_init(pio, pin);
    // Set the pin direction to output at the PIO
    pio_sm_set_consecutive_pindirs(pio, sm, pin, 1, true);

    // Load our configuration, and jump to the start of the program
    pio_sm_init(pio, sm, offset, &c);
    // Set the state machine running
    pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);
}
%}

.program hello

loop:

pull

out pins, 1

jmp loop

% c-sdk {

static inline void hello_program_init(PIO pio, uint sm, uint offset, uint pin) {

pio_sm_config c = hello_program_get_default_config(offset);

// Map the state machine's OUT pin group to one pin, namely the `pin`

// parameter to this function.

sm_config_set_out_pins(&c, pin, 1);

// Set this pin's GPIO function (connect PIO to the pad)

pio_gpio_init(pio, pin);

// Set the pin direction to output at the PIO

pio_sm_set_consecutive_pindirs(pio, sm, pin, 1, true);

// Load our configuration, and jump to the start of the program

pio_sm_init(pio, sm, offset, &c);

// Set the state machine running

pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);

}

นอกเหนือจากนี้คุณยังต้องการไฟล์ CMake ที่อธิบายถึงวิธีการสร้างไฟล์ .pio และ .c ในไบนารีที่เหมาะสำหรับการโหลดลงในบอร์ดพัฒนา Raspberry Pi Pico ของคุณ

ไม่มีตัวอย่างเทียบเท่าที่เขียนด้วย MicroPython แต่เราสามารถเห็นรหัส PIO MicroPython ที่ง่ายกว่าที่ใช้ในการกะพริบ LED ออนบอร์ด

import time
from rp2 import PIO, asm_pio
from machine import Pin

# Define the blink program.  It has one GPIO to bind to on the set instruction, which is an output pin.
# Use lots of delays to make the blinking visible by eye.
@asm_pio(set_init=rp2.PIO.OUT_LOW)
def blink():
    wrap_target()
    set(pins, 1)   [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    set(pins, 0)   [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    wrap()

# Instantiate a state machine with the blink program, at 1000Hz, with set bound to Pin(25) (LED on the rp2 board)
sm = rp2.StateMachine(0, blink, freq=1000, set_base=Pin(25))

# Run the state machine for 3 seconds.  The LED should blink.
sm.active(1)
time.sleep(3)
sm.active(0)

import time

from rp2 import PIO, asm_pio

from machine import Pin

# Define the blink program. It has one GPIO to bind to on the set instruction, which is an output pin.

# Use lots of delays to make the blinking visible by eye.

@asm_pio(set_init=rp2.PIO.OUT_LOW)

def blink():

wrap_target()

set(pins, 1) [31]

nop() [31]

set(pins, 0) [31]

nop() [31]

wrap()

# Instantiate a state machine with the blink program, at 1000Hz, with set bound to Pin(25) (LED on the rp2 board)

sm = rp2.StateMachine(0, blink, freq=1000, set_base=Pin(25))

# Run the state machine for 3 seconds. The LED should blink.

sm.active(1)

time.sleep(3)

sm.active(0)

ในกรณีนี้ไม่มีไฟล์ .pio แยกต่างหากและทั้ง MicroPython และรหัสแอสเซมบลีจะถูกวางไว้ในไฟล์ .py

แม้ว่า PIO จะสามารถตั้งโปรแกรมด้วย MicroPython ได้ แต่เอกสาร Python SDKระบุว่าขณะนี้ไม่เสถียร/กำลังดำเนินการอยู่ ดังนั้นจึงแนะนำให้ใช้ภาษา C/C++

สามารถแก้ไขโค้ดได้หลายแบบโดยการเพิ่มสีที่คุณต้องการแสดงด้วยความช่วยเหลือของรูปแบบฐานสิบหกใน RGB อย่างไรก็ตามมีตัวอย่างมากมาย เช่น PWM, UART หรือแม้แต่การเชื่อมต่อ NeoPixels สำหรับผู้ที่สนใจคุณสามารถค้นหาตัวอย่างการเขียนโปรแกรม PIO มากมายในที่เก็บ GitHub สำหรับตัวอย่าง ภาษา C และ MicroPython

สรุป

Programmable I/O ของ RP2040 มีความสามารถในการรันโปรแกรมพร้อมกัน เพื่อรองรับอินเทอร์เฟซต์ เช่น เอาต์พุต VGA และการถ่ายโอนข้อมูลความเร็วสูงขึ้น คุณสามารถตรวจสอบในเอกสาร Rraspberry pi pico C/C++SDK สำหรับ C/C++ และ Python เพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ RP2040 Programmable I/O

แปลจากบทความภาษาอังกฤษ A closer look at Raspberry Pi RP2040 Programmable IOs (PIO)