痞子衡嵌入式：实测i.MXRT1010上的普通GPIO与高速GPIO极限翻转频率

痞⼦衡嵌⼊式：实测i.MXRT1010上的普通GPIO与⾼速GPIO极限
翻转频率
⼤家好，我是痞⼦衡，是正经搞技术的痞⼦。

今天痞⼦衡给⼤家介绍的是i.MXRT1010上的普通GPIO与⾼速GPIO极限翻转频率。

上⼀篇⽂章，痞⼦衡从原理上介绍了 i.MXRT1xxx 系列⾥普通 GPIO 和 HSGPIO 差异，今天我们就来实测它们的极限翻转频率，看看它们实际表现差别到底有多⼤。

本次选择的测试芯⽚是 i.MXRT1010，这颗芯⽚从功能上来说是⽬前 i.MXRT1xxx 系列⾥的⼩兄弟，但别⼩看它，因为是后⾯推出的型号，恩智浦的设计团队为它在某些⽅⾯做了特殊的性能优化，包括 HSGPIO 性能。

话不多说，开测：
⼀、测试准备⼯作
1.1 测试板卡及测试点
选定的板卡是恩智浦官⽅ MIMXRT1010-EVK，板卡上连接 LED 灯的是 GPIO_11，翻看芯⽚参考⼿册，这个 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，我们就选择这个 PAD 做测试。

此外，最终 I/O 输出波形形态跟外围驱动电路也有关联，所以这⾥也有必要交待清楚：
Note：所⽤⽰波器型号是 Tektronix MDO3024, 带宽 200MHz, 采样率 2.5GS/s
1.2 I/O 翻转测试代码
测试⼯程我们可以直接在 \SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1010\boards\evkmimxrt1010\driver_examples\gpio\led_output 例程上修改，为了尽⼒展⽰ GPIO 极限性能，不受其他瓶颈因素⼲扰，这⾥选择代码执⾏性能最⾼的⼯程 build（即代码段在 ITCM ⾥，数据段在 DTCM ⾥）。

I/O 初始化代码很简单，在⽂章⾥都介绍清楚了。

这⾥仅有⼀点注意，为了统⼀最终 I/O 输出效果，不管是⽤于普通 GPIO 还是HSGPIO，我们都直接将测试 PAD 配置到最快的 200MHz 运⾏频率（PAD ⽀持的 50/100/150/200MHz 运⾏频率配置不同主要是对信号幅值响应表现有影响，不过痞⼦衡实测这四种速度配置对于 100MHz 的 I/O 翻转信号输出效果是⼀样的（仅⽰波器端观测波形⾓度⽽⾔），看到的都是标准幅度的正弦波）：
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 模块⾥跟电平输出控制相关的寄存器有两个，⼀个是 DR 寄存器，另⼀个是 DR_TOGGLE 寄存器，都可⽤于实现输出电平翻转。

有如下代码所⽰的三种常见电平翻转⽅法，在低翻转频率情况下，这三种⽅法是等效的，但是在极限翻转频率情况下，这三种⽅法表现不完全⼀致，下⼀节实测结果会告诉你：
void io_test_run(void)
{
io_test_init(false);
while (1)
{
// 电平翻转⽅法⼀：异或位操作
//GPIO2->DR ^= 0x800;
// 电平翻转⽅法⼆：直接赋值切换位
//GPIO2->DR = 0x800;
//GPIO2->DR = 0x000;
// 电平翻转⽅法三：利⽤ TOGGLE 位
GPIO2->DR_TOGGLE = 0x800;
}
}
1.3 芯⽚系统时钟配置
⼀⽂⾥讲了，普通 GPIO 时钟源是 IPG Bus，⽽ HSGPIO 时钟源是 AHB Bus，因此测试⼯程⾥ AHB/IPG 时钟配置会影响最终 I/O 翻转极限频率。

下图是 i.MXRT1010 内核结构⾥的 HSGPIO 通路，它和 i.MXRT1060/1170 内核结构⾥ HSGPIO 通路其实有点⼩区别，这也是i.MXRT1010 上的优化之处。

led_output 例程⾥的默认系统时钟配置，AHB/Core 时钟来⾃于 PLL6 - 500MHz，AHB_PODF 设 0 （即不分频），⽽ IPG Bus 时钟源固定来⾃于 AHB/Core，且只能在其基础上做 1/2/3/4 分频，我们知道 IPG Bus 最⾼仅⽀持 150MHz，因此在这种情况下 IPG_PODF 只能设3（四分频），IPG 时钟实际是 125MHz，显然 HSGPIO 访问可以得到最优性能，但普通 GPIO 达不到最优性能。

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
为了测试普通 GPIO 的最优性能，我们需要同时再测试⼀种新的系统时钟配置，AHB/Core 时钟源选⽤ PLL2_PFD3，将这个源配置为452.6 MHz，AHB_PODF 依旧设 0，这样 IPG_PODF 设 2（三分频）可以得到 150.8MHz 的 IPG 时钟，这时普通 GPIO 访问可以得到最优性能，不过 HSGPIO 访问就要损失点性能了。

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、测试波形结果
准备⼯作都做完了，现在就是⽰波器连上板卡开始实测了，根据组合，⼀共有时钟配置（x2）* I/O 类型（x2）* 翻转⽅法（x3）总计12 个结果，这⾥仅贴出 HSGPIO 在 500MHz AHB/Core 时钟频率下的三种翻转⽅法所得到的波形结果，全部测试结果见最后⼀节。

⾸先是 GPIO->DR 寄存器异或位操作得到的波形结果，为了减少 while(1) 的执⾏对翻转频率的影响（毕竟这⼀句 B.N 跳转指令也是要消耗 CPU 周期的），我们在 while(1) ⾥加⼗次翻转代码，统计结果时取 5/10 个波形周期求平均，最终得到翻转频率为 22.946 MHz，效果似乎⼀般。

汇编窗⼝来看，这句 C 代码异或操作被翻译成了三条指令，先 LDR 指令读出 GPIO->DR 寄存器当前值，然后 EOR 指令做异或操作，最后再 STR 指令写⼊ GPIO->DR 寄存器，应该是 LDR 回读指令耗时较长。

再来看 GPIO->DR_TOGGLE 置位操作和 GPIO->DR 的直接写⼊操作结果，实测下来发现这两种⽅法得到的翻转频率是⼀样的（从汇编窗⼝来看两种翻转⽅法都是仅⼀条 STR 指令搞定），都是 250MHz，效果虽好，但有点过头，因为波形⾥看到的不是标准幅值 3.3V 的⽅波（暂不确定是不是 200MHz 带宽的⽰波器瓶颈），⽽是减半幅值（约 1.6V ）的正弦波，也不排除 PAD 最⼤运⾏速度是 200MHz，它只能保证在低于 200MHz 的情况下有很好的电压幅值响应表现（包括翻转斜率），超过这个频率，波形频率值不受影响，但电压幅值响应表现不能保证。

为了验证是不是⽰波器瓶颈，痞⼦衡找了台更⾼性能的 Tektronix MSO5204（带宽 2GHz, 采样率 10GS/s），复测了⼀下这个 250MHz 的信号，得到结果略有改善，但幅度⼀样有衰减（2.34V），还是 PAD 本⾝限制。

三、完整结果统计
现在我们来看⼀下全部的结果，因为三种 I/O 翻转⽅法⾥有两种效果是⼀样的，所以我们省略了 GPIO->DR 直接写⼊这种⽅法的结果，最终得到了 8 个结果。

根据实测结果，我们得到了如下结论：
总结1： PAD配置⾥的运⾏频率并不限制最终输出翻转频率，只是⽆法保证超过设置频率后的波形幅值响应表现（包括翻
转斜率）
总结2：置位 GPIO->DR_TOGGLE 寄存器可获得最佳 I/O 翻转性能
总结3：普通 GPIO 翻转频率约是时钟源 IPG Bus 的 1/7.5，极限翻转频率是 20.614MHz
总结4： HSGPIO 翻转频率约是时钟源 AHB Bus 的 1/2，极限翻转频率是 250MHz
AHB/Core时钟频率IPG总线时钟频率I/O PAD配置I/O翻转⽅法普通GPIO极限翻转频率⾼速GPIO极限翻转频率
500MHz125MHz Fast Slew, 200MHz异或GPIO->DR 5.214MHz
标准幅度⽅波
22.946MHz
标准幅度⽅波
500MHz125MHz Fast Slew, 200MHz置位GPIO->DR_TOGGLE 15.533MHz
标准幅度⽅波
250MHz
减半幅度正弦波
452.6MHz150.8MHz Fast Slew, 200MHz异或GPIO->DR 6.309MHz
标准幅度⽅波
18.864MHz
标准幅度⽅波
452.6MHz150.8MHz Fast Slew, 200MHz置位GPIO->DR_TOGGLE
20.614MHz226.244MHz
标准幅度⽅波减半幅度正弦波
四、⼀个有趣的问题
最后再留⼀个开放问题，在痞⼦衡旧⽂⾥提到过 ARM Errata 838869 ，即在 Cortex-M4/7 上，如果 CPU 执⾏速度远远⾼于 GPIO 外设寄存器写⼊速度，如果代码逻辑⾥涉及 GPIO 寄存器回读，⼀般需要在 GPIO 寄存器写⼊操作后额外插⼊ DSB 指令来保证同步。

我们现在在 500MHz AHB/Core 时钟频率下 HSGPIO 翻转代码⾥额外插⼊ DSB 指令，看看有什么影响，结果翻转频率从 250MHz ⼀下⼦降到了 35.8MHz。

⾄此，i.MXRT1010上的普通GPIO与⾼速GPIO极限翻转频率痞⼦衡便介绍完毕了，掌声在哪⾥~~~
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