痞子衡嵌入式：再測i.MXRT1060,1170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.MXRT1060/1170上的普通GPIO與高速GPIO極限翻轉頻率。

　　按照上一篇文章 《實測i.MXRT1010上的普通GPIO與高速GPIO極限翻轉頻率》 里的測試流程和方法，痞子衡今天帶大家再測試下含有 HSGPIO 模塊的 i.MXRT1060 和 i.MXRT1170 系列。從芯片整體性能上來說，它們倆都是 i.MXRT1010 的老大哥，但是老大哥未必是方方面面都碾壓小老弟的，有時候系統設計越復雜，細節之處反而越難優化。今天我們就來對比看看它們在 GPIO 上的表現：

• Note1: i.MXRT1064 跟 i.MXRT1060 是同一種 Die， GPIO 性能是一致的；i.MXRT1160 和 i.MXRT1170 在 GPIO 上性能也類似。
• Note2: 測量所用示波器型號是 Tektronix MSO5204，帶寬 2GHz, 采樣率 10GS/s。

一、i.MXRT1060(1064)上的測試

1.1 測試板卡及測試點

　　選定的板卡是恩智浦官方 MIMXRT1060-EVK，這次我們選了 Arduino J22 接口的 Pin3，即 GPIO_AD_B0_11，這個 PAD 既可以配到普通 GPIO（GPIO1[11]） 也可以配到 HSGPIO（GPIO6[11]），默認外圍可選功能電路上的電阻都是 DNP 狀態，因此這個 PAD 是懸空的：

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-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\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 測試代碼很簡單：

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_AD_B0_11_GPIO1_IO11, 0U); 
    // Fast Slew Rate, R0/7, 200MHz
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_AD_B0_11_GPIO1_IO11, 0x10F9U); 
    if (useNormalGpio)
    {
        // GPIO1
        IOMUXC_GPR->GPR26 &= ~(1u << 11);
        GPIO_PinInit(GPIO1, 11, &led_config);
    }
    else
    {
        // GPIO6
        IOMUXC_GPR->GPR26 |= (1u << 11);
        GPIO_PinInit(GPIO6, 11, &led_config);
    }
}

void io_test_run(void)
{
    io_test_init(false);
    while (1)
    {
        GPIO6->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.MXRT1060 內核結構里的 HSGPIO 通路。

　　led_output 例程里的默認系統時鍾配置，AHB/Core 時鍾來自於 PLL1，將這個源配置為 1200 MHz，ARM_PODF 設 1（兩分頻），AHB_PODF 設 0 （即不分頻），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），最終 AHB 時鍾是 600MHz，IPG 時鍾是 150MHz，HSGPIO 和 GPIO 訪問可以同時得到最優性能（這點設計上是優於 i.MXRT1010 的）。

PPL1, CCM_ANALOG->PLL_ARM[DIV_SELECT] = 100，即 24MHz*DIV_SELECT/2 = 1200MHz
CCM->CACRR[ARM_PODF] = 3'b001，divide by 2
CCM->CBCMR[PRE_PERIPH_CLK_SEL] = 2'b11，derive clock from divided PLL1
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

1.4 I/O 翻轉測試結果

　　現在我們來看一下測試結果，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，實際輸出的波形幅值響應表現跟外圍電路關系較大。
• 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 1/8，極限翻轉頻率是 18.69MHz
• 總結4： HSGPIO 翻轉頻率約是時鍾源 AHB Bus 的 1/4，極限翻轉頻率是 149.24MHz
• 總結5： i.MXRT1060 的 GPIO 性能跟 i.MXRT1010 差不多，但是 HSGPIO 性能比 i.MXRT1010 差很多。

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
600MHz	150MHz	Fast Slew, 200MHz	異或GPIO->DR	6.289MHz 標准幅度方波	22.99MHz 標准幅度方波
600MHz	150MHz	Fast Slew, 200MHz	置位GPIO->DR_TOGGLE	18.69MHz 標准幅度方波	149.24MHz 標准幅度正弦波

二、i.MXRT1170(1160)上的測試

2.1 測試板卡及測試點

　　選定的板卡是恩智浦官方 MIMXRT1170-EVK，板卡上連接 LED 燈的是 GPIO_AD_04，翻看芯片參考手冊，這個 PAD 既可以配到普通 GPIO（GPIO9[3] 或者 GPIO3[3]） 也可以配到 HSGPIO（CM7_GPIO3[3]），我們選擇這個 PAD 做測試。

　　與此同時，作為比較，還多選了一個 GPIO_AD_01 腳作為測量點 2，這個 PAD 既可以配到普通 GPIO（GPIO9[0] 或者 GPIO3[0]） 也可以配到 HSGPIO（CM7_GPIO3[0]），外圍電路接近於懸空。

　　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：

2.2 I/O 翻轉測試代碼

　　測試工程我們可以直接在 \SDK_2.11.0_MIMXRT1170-EVK\boards\evkmimxrt1170\driver_examples\gpio\led_output\cm7 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 測試代碼很簡單：

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_AD_04_GPIO_MUX3_IO03, 0U); 
    IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO_AD_04_GPIO_MUX3_IO03, 0x000eU); 
    if (useNormalGpio)
    {
        // GPIO3
        IOMUXC_GPR->GPR42 &= ~(1u << 3);
        GPIO_PinInit(GPIO3, 3, &led_config);
    }
    else
    {
        // CM7_GPIO3
        IOMUXC_GPR->GPR42 |= (1u << 3);
        GPIO_PinInit(CM7_GPIO3, 3, &led_config);
    }
}

void io_test_run(void)
{
    io_test_init(false);
    while (1)
    {
        CM7_GPIO3->DR_TOGGLE = 0x8;
    }
}

　　特別提醒的是在 i.MXRT1170 IOMUXC 模塊 SW_PAD_CTL 控制寄存器里取消了 SPEED 配置，並且 DSE 配置也從 3bit 減少到 1bit，這點跟 i.MXRT1010/1060 上設計不一樣：

2.3 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（在 i.MXRT1170 里叫 BUS_CLK），而 HSGPIO 時鍾源是 AHB Bus（在 i.MXRT1170 里叫 M7_CLK），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.MXRT1170 內核結構里的 HSGPIO 通路。

• Note1: GPIO1 - 6 時鍾源是 BUS_CLK，該總線最高頻率 240MHz
• Note2: GPIO7 - 12 時鍾源是 BUS_LPSR_CLK，該總線最高頻率 160MHz
• Note3: GPIO13 時鍾源是 RCOSC_32K

　　led_output 例程里的默認系統時鍾配置，M7_CLK 時鍾來自於 ARM_PLL，將這個源配置為 996 MHz。BUS_CLK 時鍾來自於 SYS_PLL3，固定 480MHz，BUS_ROOT 配置里做了兩分頻，最終 M7_CLK 時鍾是 996MHz，BUS_CLK 時鍾是 240MHz（相較於 i.MXRT1010/1060 的最大 150MHz 有所提升），HSGPIO 和 GPIO 訪問可以同時得到最優性能。此外，i.MXRT1170 的系統時鍾設計是最靈活也最簡單的。

ARM_PLL, 即 24MHz*DIV_SELECT/2/POST_DIV = 996MHz
         ANADIG_PLL->ARM_PLL_CTRL[DIV_SELECT] = 166，
         ANADIG_PLL->ARM_PLL_CTRL[POST_DIV_SEL] = 2'b00，Divide by 2
// 0 - CLOCK Root M7
CCM->CLOCK_ROOT[0].CONTROL[MUX] = 3'b100，PLL_ARM_CLK
CCM->CLOCK_ROOT[0].CONTROL[DIV] = 8'h00，Divider selected clock by DIV + 1.

SYS_PLL3, ANADIG_PLL->SYS_PLL3_CTRL[SYS_PLL3_GATE] = 1'b0，固定 480MHz
// 2 - CLOCK Root Bus
CCM->CLOCK_ROOT[2].CONTROL[MUX] = 3'b100，SYS_PLL3_CLK
CCM->CLOCK_ROOT[2].CONTROL[DIV] = 8'h01，Divider selected clock by DIV + 1.

2.4 I/O 翻轉測試結果

　　現在我們來看一下測試結果，根據實測結果，我們得到了如下結論：

• 總結1： 置位 GPIO->DR_TOGGLE 寄存器可獲得最佳 I/O 翻轉性能
• 總結2： 普通 GPIO 翻轉頻率約是時鍾源 BUS_CLK 的 1/14，極限翻轉頻率是 17.12MHz
• 總結3： HSGPIO 翻轉頻率約是時鍾源 M7_CLK 的 1/4，極限翻轉頻率是 248.87MHz
• 總結4： i.MXRT1170 的 GPIO 性能跟 i.MXRT1010/1060 差不多，HSGPIO 性能跟 i.MXRT1010 差不多。

M7_CLK時鍾頻率	BUS_CLK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
996MHz	240MHz	Fast Slew	異或GPIO->DR	7.058MHz 標准幅度方波	41.24MHz 標准幅度方波
996MHz	240MHz	Fast Slew	置位GPIO->DR_TOGGLE	17.12MHz 標准幅度方波	248.87MHz 1/4幅度正弦波

　　至此，i.MXRT1060/1170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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