LPC800特色模块揭秘——输入输出引脚的配置

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一款MCU，最重要的是要有输入输出引脚，引脚的数量要够丰富，功能要够齐全，还要有灵活的输入输出控制方式。

在LPC800系列中提供了很多封装，和输入输出引脚数量的选项，下表列出了除LPC80x和LPC8N04之外，所有系列的引脚数目统计一览。LPC80x和LPC8N04将另有文章介绍，下同。

表1. LPC800各系列引脚数目


从表1可以看出，所有LPC800产品的引脚利用率是非常高的，除了供电引脚外，所有其它引脚，包含调试引脚、外接晶振的引脚和所有具有模拟功能的引脚，都可以作为普通的数字输入输出使用。甚至芯片的复位引脚，也可以在芯片启动后被配置为数字输入输出引脚。这大大增加了产品的可用性和配置的灵活性。

这里要强调一个重要的概念，引脚通常被称为GPIO引脚，但引脚不等同于GPIO控制器。在LPC800中，引脚的配置由IOCON模块实现，而GPIO模块只实现软件对引脚输入电平的直接读取，和对输出引脚的电平高低的控制。

所有需要用到输入输出引脚的模块，例如UART、I2C、SPI、ADC、定时器等，都需要使用IOCON配置外部引脚。使用GPIO模块之前，也都需要使用IOCON配置外部引脚。

关于LPC800系列的综述，请看这些文章：
LPC800系列选型指南
从系统框图解读LPC800的配置与特性



1、LPC800的引脚配置功能
LPC800的引脚具有下述功能：
- 内部上拉或下拉电阻
- 漏极开路模式
- 输入滞后(Hysteresis)
- 可配置的数字式毛刺滤波
- 模拟模式

下图是一个标准引脚的功能示意图。

图1. 引脚功能图


这个示意图可以分为三个部分，上面是输出部分，下面是输入部分，中间是一个维持输入信号的维持电路。
下面分别关注不同的功能部分。

1. 标准推拉输出
这是最常用的输出模式，图1中绿色框中的两个MOS管的导通和截止，决定了输出电平的高低。
采用这种模式时，芯片直接推动对应的引脚信号，并具有一定的信号驱动能力。具体驱动能力的大小，每个产品系列会不尽相同，用户需要查看数据手册中的参数说明。
下面是LPC82x数据手册中Electrical pin characteristics列表中的相关参数。



VOH表示当引脚输出高时的情况，即输出电流为4mA或3mA时，引脚的电压值最多可以达到VDD - 0.4V。例如，某个引脚有一个825Ω对地电阻，当VDD=3.3V时，电阻上的电流为4mA，达到手册规定的最大允许电流，此时引脚端的电压将不会低于2.9V，这远高于TTL或CMOS高电平的电压。
在实际应用中，通常可以用一个串联了几百Ω小电阻的LED，通过输出高点亮LED。小电阻的具体阻值可以按照LED的压降计算得出，或按照经验测试出来。
VOL表示当引脚输出低时，允许外部输入电流的大小。作为例子，可以用一个串联了小电阻的LED，跨接在VDD和引脚之间，通过输出低点亮LED。
IOH和IOL表示当引脚输出高或低时，能够输出或输入的电流大小。
为了一些需要大电流驱动的应用，在LPC800系列中，还有一些引脚能够输出较大的电流，当输出高时，输出电流可以达到20mA。
下表是LPC82x数据手册中，关于PIO0_2、PIO0_3、PIO0_12和PIO0_16的输出参数表。利用这一特性，用户可以使用这些引脚，控制片外大电流的电路，例如直接驱动电流环的通信电路。



2. 开漏输出
开漏模式通常用于I2C通信，和其它需要双向通信的场合。
控制图1中“开漏输出”控制信号有效，不管输出还是输入信号，也不管输出是高还是低，绿色框中上方的那个MOS管始终处于截止状态。
使用开漏输出模式时，通常用户需要在该引脚的芯片外部设置一个上拉电阻，此电阻的大小由外部输入电路的输入阻抗决定。
当引脚输出低时，绿色框中下方的MOS管导通，引脚被拉低；此时外部上拉电阻上流过的电流，会通过引脚注入下方的MOS管，因此上拉电阻不能太小，要保证注入电流不能超出芯片能够承受的范围。从上一节的引脚参数表中可以看到，一般引脚的灌入电流为4mA，即当VDD为3.3V时，外部的等效上拉电阻不能小于825Ω。
当引脚输出高时，绿色框中下方的MOS管截止，引脚的电平由外部电路决定。此时片外的上拉电阻将把信号线拉至高电平。
实际上，当在开漏输出引脚输出高时，两个MOS管都是处于截止状态，该引脚对外呈现高阻状态。利用这一特性，允许多个器件的开漏输出引脚相互连接在一起，通过“线与”实现双向通信。
为了实现I2C的高速模式+，或其它大电流驱动的需要，LPC800系列中，还有几个引脚允许灌入较大的电流。在适当的配置下，不管是推拉输出还是开漏输出模式下，当引脚输出低时，可以有多达20mA的灌入电流。
下图摘录于LPC82x的数据手册，可以看出PIO0_10和PIO0_11具有灌入大电流的能力。读者可以自行查看其它型号的数据手册，找出相应的引脚。



3. 数字输入
图1中橙色框里的电路就是数字输入部分。当引脚处于输入模式时，绿色框中的两个MOS管均处于截止状态，不对引脚的外部电平产生影响。
当引脚配置为数字输出时，这部分输入电路仍然连接在引脚的回路中，并没有断开，即用户可以在配置为数字输出的引脚上读回信号线的状态。当引脚配置为开漏输出时，I2C就是利用这一特性实现了在同一个信号线上的双向通信，用户也可以利用这一特性，自行实现双向通信。
LPC800的输入模式还有几个特殊的特性，可以方便地辅助用户实现相应的功能，随后会一一介绍。

4. 反向输入
使能这个模式后，当输入引脚为低电平时，软件会在寄存器读到’1’；反之当输入引脚为高电平时，软件会在寄存器读到’0’。用户可以按照应用的要求，自主配置是否需要“输入反向”。
一般情况下，基本用不到该功能。只有在片外使用负逻辑电路时，为了软件逻辑的方便，可以启用此功能。

5. 输入的数字滤波
用户可以使能这个功能，自动地过滤掉输入信号中可能出现的毛刺。例如，可以利用它，实现按键的自动去抖动。
如果输入信号的频率较高，则需要关闭此功能。
经过适当配置，数字滤波功能能够滤除的最窄脉冲，是小于一个主时钟周期的脉冲，即当系统主时钟为30MHz时，宽度小于33ns的信号会被滤除。数字滤波功能可以滤除的最宽脉冲，则是小于3 x 255个主时钟周期的脉冲，即当系统主时钟为30MHz时，可以滤除宽度小于25.5us的脉冲，这已经足够实现一般按键去抖动的要求。

6. 输入的数字滤波
这个功能是指，当一个外部输入信号由低变高，或由高变低时，芯片内部会推迟输入状态的翻转。
下面是LPC82x数据手册中引脚静态特性的参数表截图。



当外部输入电平为0.7VDD时，芯片会识别为’高’(VIH)，即当VDD=3.3V时，VIH=2.3V；当外部输入电平为0.3VDD时，芯片会识别为’低’(VIL)，即当VDD=3.3V时，VIL=1.0V。
当使能输入迟滞功能时，按照上面截图的参数，芯片会在外部信号变化过程中，推迟0.4V改变内部寄存器的数值。
举个例子，当外部信号从3.0V下降到0V的过程中，如果没有迟滞功能，内部寄存器的数值会在信号刚好降到低于1.0V时，从’1’变为’0’；如果引入迟滞功能，只有信号降到低于0.6V时，内部寄存器的数值才会变化。同理，当外部信号上升时，没有迟滞功能时，内部寄存器的数值会在外部电平刚好超过2.3V时变化，使能迟滞功能后，内部寄存器的数值要在外部电平超过2.7V时才变化。
使用这个功能的好处是，当外部输入信号变化迟缓，滤除电平上的小幅抖动，内部寄存器的数值不至于随外部信号的抖动而频繁变化，减少软件处理的负担。

7. 输入维持
在原文的用户手册中，该功能被称为Repeater(重复)模式。
图1中紫色虚线框中的部分实现输入维持模式。
当外部输入为高电平时，输入维持电路在引脚内部接入一个弱上拉电阻；当外部输入为低电平时，则在引脚内部接入一个弱下拉电阻。这样所产生的效果就是，如果外部电路不再驱动这个信号线，该信号线不至于处于浮空状态。
我们知道，CMOS电路的输入端，在处于浮空状态时，会导致较大的漏电流增加功耗，同时也非常容易受到外界信号的干扰。使能输入维持模式，则可以避免这种浮空状态，减少了系统的无谓功耗，也提高了系统的可靠性。

8. 引脚的内部上拉或下拉
上一段介绍的“输入维持”模式里的上拉电阻和下拉电阻，是由对应电路自动引入，用户也可以按照自己的应用逻辑，直接使能引脚内部的上拉或下拉电阻，同样可以达到避免信号线浮空的目的。
与输入维持模式不同的是，应用程序可以自行决定在外部电路浮空时，需要保持信号线的高电平状态，还是低电平状态。
另外使能引脚的内部上拉或下拉，独立于引脚的输入或输出模式。即不管引脚是输入还是输出，都可以配置有内部上拉或下拉。
按照数据手册中的参数推算，内部上拉电阻或下拉电阻的等效阻值，典型值是100kΩ左右。读者可自行查看手册中的相应部分。

9. I2C模式
在LPC800系列中，引脚PIO0_10和PIO0_11拥有特殊的I2C模式，除了支持标准和快速I2C模式，还可以支持I2C快速+模式。这两个引脚是真开漏输出，即在这两个引脚的输出电路中，没有图1绿色框中上边的那个MOS管；而普通的“非” 真开漏引脚，是通过始终让上边那个MOS管处于截止状态，实现开漏输出的功能。
在LPC800中，只有I2C0可以配置为快速+模式。从SWM部分可以看到，LPC81x的I2C0引脚可以经SWM配置到任意引脚，但只能在引脚PIO0_10和PIO0_11上使用快速+模式；其它LPC800系列产品中，I2C0的引脚是不能经SWM移动的。
当I2C的输出引脚使用PIO0_10和PIO0_11时，需要配置这两个引脚为I2C模式；当I2C的输出使用其它引脚时，则需要配置对应的引脚为开漏模式。

10. 模拟功能的输入/输出
对于模拟输入功能来说，不需要在IOCON中做任何配置，一旦在SWM模块使能了某个模拟输入功能后，该引脚对应的数字输入输出功能就被屏蔽。即作为模拟引脚时，图1中绿色框和蓝色框的输出MOS全部截止，橙色的输入线路也处于关闭状态，引脚上的数字输入输出电路均处于高阻状态。
相比其它系列，在LPC84x中增加了两个DAC模拟输出，这两个DAC对应的配置寄存器相比其它引脚的配置寄存器，多了一个模拟输出的控制位。和模拟输入一样，当选择了模拟输出后，该引脚的数字输入输出电路即被屏蔽。


2、引脚的5V兼容特性
当引脚配置为数字输入模式时，除了与VDDCMP共用的PIO0_6引脚外，其它的引脚都可以承受外部5V的电压。PIO0_6只能承受与VDD相同的电压。
当引脚配置为模拟输入时，则不能承受外部5V的电压，用户需特别留意。
作为输入时，引脚能够承受5V的输入电压。这个特性极大地方便了使用LPC800产品，与传统的5V器件在同一个系统里的互联，即一个5V器件的数字输出引脚，可以直接连接到LPC800的数字输入端。
反之，LPC800的数字输出引脚可以直接与5V器件的输入端相连，但5V器件是否能够正确地识别LPC800输出的高电平，用户需自行查看这个5V器件的手册来决定。


3、复位后引脚的默认状态
结合SWM和GPIO的功能，系统复位后除了与SWDIO、SWCLK和RESETN对应的功能外，所有的可移动功能都与引脚断开，即引脚内部与GPIO模块相连；同时由于GPIO模块中所有的端口复位后默认为输入，因此在复位后，除PIO0_2、PIO0_3和PIO0_5外，所有其它引脚都是数字输入，并且使能了内部弱上拉电阻。
在最新的LPC84x产品中，引入了一个新的模块——FAIM(快速初始化存储器)，它可以在系统复位时，按照事先安排好的逻辑，在软件还未运行时，快速地配置好引脚的弱上拉、弱下拉或输入维持模式。


4、引脚模式配置
在LPC800产品中，每个引脚都对应一个32位寄存器，用于配置本文第一部分中介绍的各项功能和模式。下面几张表格列出了所有引脚的IOCON配置寄存器的每位功能。

表2. LPC81x、LPC82x、LPC83x和LPC84x的引脚配置寄存器列表


表3. LPC82x、LPC83x和LPC84x的引脚配置寄存器列表(不含LPC81x)


表4. LPC84x的引脚配置寄存器列表


上述表格中列出了每个寄存器的第0~16位，寄存器的第17~31位均为保留位。其它位的意义如下：
▲        Res：保留位。
▲        MODE：配置引脚的上下拉电阻和输入维持模式，见前面1.8和1.7节。意义如下：
- 0b00: 无上下拉电阻。
- 0b01：有下拉电阻。
- 0b10：有上拉电阻。这是所有引脚在系统复位后对应的默认配置。
- 0b11：输入维持模式。
▲        HYS：输入信号迟滞(见1.6节)使能。
- 0：输入无迟滞。这是除LPC84x以外产品，在系统复位后的默认配置。
- 1：使能。这是LPC84x在系统复位后的默认状态。
▲        INV：输入反向(见1.4节)。
- 0：没有输入反向。这是所有LPC800产品在系统复位后的默认配置。
- 1：输入反向。
▲        OD：开漏输出(见1.2节)。
- 0：非开漏输出。这是所有LPC800产品在系统复位后的默认配置。
- 1：开漏输出。这些引脚不是“真”开漏引脚。
▲        I2CMODE：“真”开漏引脚的I2C模式(见1.9节)。
- 0b00：I2C的标准和快速模式。这是所有LPC800产品在系统复位后的默认配置。
- 0b01：标准的GPIO功能，需在片外配置上拉电阻。
- 0b10：I2C的快速+模式
- 0b11：保留组合。
▲        CLK_DIV：输入数字滤波功能使用的滤波时钟(详见下面S_MODE的说明)。
- 0x0~0x6：分别选择IOCONCLKDIV0~IOCONCLKDIV6。IOCONCLKDIVx在SYSCON寄存器中定义。系统复位后的默认配置为0x0。
- 7：保留。
▲        S_MODE：输入数字滤波选择(见1.5节)。
- 0b00：没有输入数字滤波。这是所有LPC800产品在系统复位后的默认配置。
- 0b01：滤除短于1个滤波时钟周期的毛刺脉冲。
- 0b10：滤除短于2个滤波时钟周期的毛刺脉冲。
- 0b11：滤除短于3个滤波时钟周期的毛刺脉冲。
▲        DACOUT：DAC输出模式(见1.10节)。只有LPC84x才有该配置位，此位置在其它产品中为保留位。
- 0：非DAC输出模式。这是所有LPC84x产品在系统复位后的默认配置。
- 1：使能DAC输出模式。

用户可以参照这里的说明进行寄存器级的编程，更重要的是通过了解这些寄存器位，能够更加深入地了解IOCON的配置功能和选项，即使是使用SDK提高的函数时，也能清楚和明白各项参数的意义。
关于输入输出引脚的各项功能，以及配置方式今天先介绍到这里，下次将介绍LPC800中其它一些特色的功能模块。

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stm1024

写的非常不错，赞一个

ouyangzw

没有80x系列

radishboy

学习了，谢谢！