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

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　　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 系列里普通 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。本次選擇的測試芯片是 i.MXRT1010，這顆芯片從功能上來說是目前 i.MXRT1xxx 系列里的小兄弟，但別小看它，因為是后面推出的型號，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、測試准備工作

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，翻看芯片參考手冊，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，所以這里也有必要交待清楚：

• Note： 所用示波器型號是 Tektronix MDO3024, 帶寬 200MHz, 采樣率 2.5GS/s

1.2 I/O 翻轉測試代碼

　　測試工程我們可以直接在 \SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1010\boards\evkmimxrt1010\driver_examples\gpio\led_output 例程上修改，為了盡力展示 GPIO 極限性能，不受其他瓶頸因素干擾，這里選擇代碼執行性能最高的工程 build（即代碼段在 ITCM 里，數據段在 DTCM 里）。

　　I/O 初始化代碼很簡單，在 《普通GPIO與高速GPIO差異及其用法》 文章里都介紹清楚了。這里僅有一點注意，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 支持的 50/100/150/200MHz 運行頻率配置不同主要是對信號幅值響應表現有影響，不過痞子衡實測這四種速度配置對於 100MHz 的 I/O 翻轉信號輸出效果是一樣的（僅示波器端觀測波形角度而言），看到的都是標准幅度的正弦波）：

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 模塊里跟電平輸出控制相關的寄存器有兩個，一個是 DR 寄存器，另一個是 DR_TOGGLE 寄存器，都可用於實現輸出電平翻轉。有如下代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：直接賦值切換位
        //GPIO2->DR = 0x800;
        //GPIO2->DR = 0x000;

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

1.3 芯片系統時鍾配置

　　《普通GPIO與高速GPIO差異及其用法》 一文里講了，普通 GPIO 時鍾源是 IPG Bus，而 HSGPIO 時鍾源是 AHB Bus，因此測試工程里 AHB/IPG 時鍾配置會影響最終 I/O 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 例程里的默認系統時鍾配置，AHB/Core 時鍾來自於 PLL6 - 500MHz，AHB_PODF 設 0 （即不分頻），而 IPG Bus 時鍾源固定來自於 AHB/Core，且只能在其基礎上做 1/2/3/4 分頻，我們知道 IPG Bus 最高僅支持 150MHz，因此在這種情況下 IPG_PODF 只能設 3（四分頻），IPG 時鍾實際是 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。

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

　　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鍾配置，AHB/Core 時鍾源選用 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 時鍾，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。

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、測試波形結果

　　准備工作都做完了，現在就是示波器連上板卡開始實測了，根據組合，一共有時鍾配置（x2）* I/O 類型（x2）* 翻轉方法（x3）總計 12 個結果，這里僅貼出 HSGPIO 在 500MHz AHB/Core 時鍾頻率下的三種翻轉方法所得到的波形結果，全部測試結果見最后一節。

　　首先是 GPIO->DR 寄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 B.N 跳轉指令也是要消耗 CPU 周期的），我們在 while(1) 里加十次翻轉代碼，統計結果時取 5/10 個波形周期求平均，最終得到翻轉頻率為 22.946 MHz，效果似乎一般。匯編窗口來看，這句 C 代碼異或操作被翻譯成了三條指令，先 LDR 指令讀出 GPIO->DR 寄存器當前值，然后 EOR 指令做異或操作，最后再 STR 指令寫入 GPIO->DR 寄存器，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（從匯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准幅值 3.3V 的方波（暫不確定是不是 200MHz 帶寬的示波器瓶頸），而是減半幅值（約 1.6V ）的正弦波，也不排除 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（包括翻轉斜率），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。

　　為了驗證是不是示波器瓶頸，痞子衡找了台更高性能的 Tektronix MSO5204（帶寬 2GHz, 采樣率 10GS/s），復測了一下這個 250MHz 的信號，得到結果略有改善，但幅度一樣有衰減（2.34V），還是 PAD 本身限制。

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后的波形幅值響應表現（包括翻轉斜率）
• 總結2： 置位 GPIO->DR_TOGGLE 寄存器可獲得最佳 I/O 翻轉性能
• 總結3： 普通 GPIO 翻轉頻率約是時鍾源 IPG Bus 的 1/7.5，極限翻轉頻率是 20.614MHz
• 總結4： HSGPIO 翻轉頻率約是時鍾源 AHB Bus 的 1/2，極限翻轉頻率是 250MHz

AHB/Core時鍾頻率	IPG總線時鍾頻率	I/O PAD配置	I/O翻轉方法	普通GPIO極限翻轉頻率	高速GPIO極限翻轉頻率
500MHz	125MHz	Fast Slew, 200MHz	異或GPIO->DR	5.214MHz 標准幅度方波	22.946MHz 標准幅度方波
500MHz	125MHz	Fast Slew, 200MHz	置位GPIO->DR_TOGGLE	15.533MHz 標准幅度方波	250MHz 減半幅度正弦波
452.6MHz	150.8MHz	Fast Slew, 200MHz	異或GPIO->DR	6.309MHz 標准幅度方波	18.864MHz 標准幅度方波
452.6MHz	150.8MHz	Fast Slew, 200MHz	置位GPIO->DR_TOGGLE	20.614MHz 標准幅度方波	226.244MHz 減半幅度正弦波

四、一個有趣的問題

　　最后再留一個開放問題，在痞子衡舊文 《以GPIO模塊為例談談中斷處理函數(IRQHandler)的標准流程》 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 外設寄存器寫入速度，如果代碼邏輯里涉及 GPIO 寄存器回讀，一般需要在 GPIO 寄存器寫入操作后額外插入 DSB 指令來保證同步。

　　我們現在在 500MHz AHB/Core 時鍾頻率下 HSGPIO 翻轉代碼里額外插入 DSB 指令，看看有什么影響，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，掌聲在哪里~~~

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