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LPC800前生今世 第六章-开关矩阵（SWM: Switch Matrix）
总体概述
开关矩阵顾名思义就是一个由多个，甚至多组开关组成的阵列，这个阵列的目的就是把片内外设的输入输出信号线，按照用户的意向，通过编程连接到特定的外部引脚上。
开关矩阵可以为LPC800的使用者带来很多方便和实用的特性：
很多用户都碰到过，设计PCB时芯片引脚的顺序与板上的器件不匹配，走线绕来绕去；有了这个开关矩阵，用户可以按照最佳布线要求，安排MCU的功能引出脚。
有些工程师在设计PCB时，由于疏忽或对器件的理解有误，可能会造成连线错误，例如把I2C的SDA和SCL搞反了，把UART的TX和RX搞反了等。遇到这种情况，不必割线、飞线、重新设计PCB，只需要在配置开关矩阵时，在代码中按照实际的连线编程配置即可，完全不必改动硬件。
用户经常会因为产品升级换代，需要重新设计PCB，但只是做少量的修改或扩充，或者仅仅是更换一个功能更强的MCU，而希望尽可能地保持原有的布局和布线走向不变；开关矩阵同样能满足用户的这个需要。
通常一款MCU都会内置多个及多种外设，例如LPC824的串行通信外设就包含3个USART、4个I2C和2个SPI，即使不计算其它外设(例如SCT、GPIO等)的引出脚，所有这些串行通信外设的引出脚数目，就已经超过芯片总的引脚数目。有了开关矩阵，用户可以按照自己的意愿引出需要的功能，在引脚总数允许的情况下，可以进行随意的功能组合。
开关矩阵也有其局限性，模拟功能和电源/地线引脚不能通过开关矩阵重新分配引出脚；模拟功能具有固定的不能被重新分配的引出脚，但用户可以按照需要关闭引出脚对应的模拟功能，从而腾出该引出脚用于其它数字功能。
1.1 SWM模型特性
LPC800全系列的每个型号都标配SWM开关矩阵。
开关矩阵的功能有两个：
把数字外设的输入输出功能自由地分配到指定的外部引脚。能够自由分配外部引脚的功能称为可移动功能。
使能或关闭模拟功能或需要特定电气特性的功能，例如ADC和/或模拟比较器的输入功能，晶体振荡器的输入输出引脚，具有超快速模式的I2C0功能等。对于这些不能自由分配外部引脚的功能，称为固定功能。
下面两张表分别列出了所有可移动功能和固定功能，以及它们在各个系列中的配置情况。* 括号中为LPC81x的信号名称。
表1 可移动功能一览表
上表中列出了所有目前LPC800产品系列的可移动功能信号，可以看出这些信号全部是数字信号。右边四列分别是各个系列的配置情况，数字代表所在行的信号在对应的系列中是可移动功能，编号的意义将在1.3节的应用例程中介绍；格中“-”表示对应的系列没有这个信号。
I2C0_SDA和I2C0_SCL这两个信号只在LPC81x中是可移动功能，在其它系列中都是不可移动的。LPC82x和LPC84x的其它I2C模块，I2C1~3的信号是可移动功能信号。
这里需要注意的是，在LPC81x系列中，I2C0_SDA和I2C0_SCL这两个信号是可移动的，但只有把它们安排在PIO0_10和PIO0_11引脚时，才能达到超高速(1Mbit/s)，移动到其它的引脚时只能实现最高400 kbit/s的速率。
固定功能信号分两类：数字信号和模拟信号；这样的区分将涉及到信号间互联的策略，本章后面的段落将讨论这个策略。* 对应的信号与其它信号复用相同引脚。
表2 固定功能一览表
表2中右边四列分别是各个系列的配置情况，数字代表所在行的信号在对应的系列中是否有该功能，编号的意义将在1.3节的应用例程中介绍；格中“-”表示对应的系列没有这个信号。
每一个可移动功能，可以被分配使用任意一个引脚。而固定功能只能使用芯片指定的引脚。GPIO的输出端口也只能使用芯片指定的引脚。
下面是LPC80x的可移动功能和固定功能列表，这个新的子系列的SWM寄存器排列与其它系列略有不同，但不会影响用户的使用。
表3 LPC80x可移动功能一览表 * 对应的信号与其它信号复用相同引脚图片
表4 LPC80x固定功能一览表
另外，在LPC804中的PLU模块共有6个输入端和8个输出端，它们也是可移动功能，但不能向其它可移动功能那样可以被任意地分配到任一个引脚，每个PLU的输入/输出端分别只能在PINASSIGNFIXED0寄存器中被分配到3个引脚，如下表：
每个PLU的信号在PINASSIGNFIXED0寄存器中占据2个二进制控制位，具体配置方法请参考用户手册。
1.2 SWM模块的内部构成
1.2.1 模块框图
下面这个框图来自LPC800的用户手册：
图1.开关矩阵(SWM)框图
这个图全面地描绘了开关矩阵与各个内部外设、连接外部引脚的焊盘、GPIO模块以及引脚中断单元之间的关系。这张图只画出了一个外部引脚和与之对应的内部结构，其它引脚及内部结构和这张图基本一样；以LPC824封装为HVQFN33的芯片为例，它有29个GPIO引脚，则其内部就有29套上图这样的电路。
对于某些不具备模拟功能的引脚，它们的片内结构将不包含上图中的模拟部分(黄色区域)。
按照用户手册的功能描述，可以把LPC824的最大引脚封装的开关矩阵，用图2示意性地展现出来。这张图清晰地展示了一个完整的开关阵列(矩阵)的结构；此图只是一个帮助理解和记忆的示意图，并不代表芯片内部的真实电路。图中左边一列的PIO0_0~PIO0_28表示外部引脚，而右边一列的PIO0_0~PIO0_28表示GPIO模块的内部输出端。
图2.LPC824的HVQFN33封装内部开关矩阵 完整示意图 下面把SWM的功能分成三个组，分别进行介绍。（注：这里的分组只是为了方便说明，实际在芯片手册中并没有此类分组）
1.2.2 固定功能开关组
上图左侧以黄色标注的一组开关，可以称它为固定功能开关组，每一个开关旁边，都用黄字标示该开关对应的固定功能信号。这组开关中，在芯片复位后，多数开关默认为断开固定功能与外部引脚的连接；但有三个信号特殊，在芯片复位后，SWDIO、SWCLK和RESETN对应的开关将这三个信号连接到外部引脚上。
另外PIO0_1对应的固定功能信号有一个模拟功能(ACMP_I2)和一个数字功能(CLKIN)；PIO0_6、PIO0_14和PIO0_23，分别对应两个固定功能模拟信号；这些信号的连接示意图如下。
图3.LPC824的复用固定功能模拟信号开关示意图
▲固定功能开关组：决定需要把某个固定功能信号连接到对应的外部引脚，这组开关是一对一的；以LPC82x为例，表2列出了25个固定功能，其中有四对固定功能信号复用输入引脚，因此共有25个固定功能开关。（注：LPC82x中最大配置的芯片有25个固定功能，其它芯片中固定功能则少于这个数目）
模拟的固定功能信号对应的开关是排他性的，当对应的模拟信号连接到外部引脚时，其它任何信号不能再连接到该引脚；数字的固定功能信号对应的开关，用于把使能的信号连接到对应的引脚，但不排斥其它可移动功能也连接到这个相同的引脚。
图4.固定功能开关组(模拟信号)示意图 图5.固定功能开关组(数字信号)示意图
引脚使能寄存器0(PINENABLE0)中的每一位，对应图4或图5所示的一个开关。图2中部兰色阴影框起来的部分，可以称为可移动功能开关组。在这个纵横矩阵中，每个交叉点都是一个开关；每列(纵向)只能有一个开关闭合；每行(横向)可以有多个开关闭合；复位后所有开关默认为断开。
▲可移动功能开关组：该组开关决定需要把某个可移动功能信号连接到哪个外部引脚。表1的第一列的每一个可移动功能，都对应这样的可移动功能开关组；表1列出了48个可移动功能，也就是说芯片内部实现了48个这样的开关组。（注：最大配置的芯片有48个可移动功能，其它芯片中可移动功能数目可参看表1）
图6.可移动功能开关组(共48组)示意图A
每个引脚分配寄存器0~11(Pin assign register)都有4个字节，每个字节控制上图所示的一个可移动功能开关组，即每个引脚分配寄存器控制四个可移动功能信号的引脚分配。
图7.可移动功能开关组(共48组)示意图B
上图是图6的另一种画法，虚线框起来的一组开关，由引脚分配寄存器的对应字节控制，任何时候，只能有一个开关闭合或所有开关断开。
图2右侧以橘红色标注的一组开关，称为GPIO开关组。当其中任一开关闭合时，对应的GPIO输出端口已固定功能开关的状态，将有可能连接到外部引脚。当某个开关K所在行中有任意一个开关闭合时，这个开关K会自动断开，很显然这样可以避免GPIO模块的输出与可移动功能信号相互冲突。
▲GPIO开关组：该组开关决定是否要把GPIO模块的某个端口输出到对应的引脚。
图8.GPIO开关组示意图
将GPIO模块的某个端口的输出连接到外部引脚的条件有两个：一是没有任何作为输出的可移动功能分配到对应的引脚；二是没有使能对应的固定功能，例如：如果要输出GPIO模块的PIO0_6信号，则应该关闭对应的固定功能ADC_1和VDDCMP。
从图1可以看出，每个引脚都有两个内部连接点(焊盘)，分别处理数字信号和模拟信号；实际使用中，对IOCON(输入输出配置)模块的设置决定数字焊盘的输入输出特性；而使用数字焊盘还是模拟焊盘与外部引脚相连接，则由开关矩阵决定；当在开关矩阵中使能了某个端口的固定模拟功能，则该外部引脚将使用模拟焊盘；其它情况下，不论引脚是分配了可移动的功能信号，还是固定功能的数字信号，或是GPIO的输出端，该外部引脚都是对应数字焊盘的信号。
1.2.3 开关矩阵的使用特性
从图2和以上的描述，可以总结出以下一些特性：
■一旦使能某个固定模拟功能时，该功能将占用对应的引脚，所有其它任何信号都不能使用该引脚。
■当使能某个固定数字功能信号时，其他的可移动数字信号，也可以被分配使用该引脚，即多个信号线在芯片内部是互通的。例如使能了CLKIN输入功能后，还可以分配一个或多个SCT的输入端至相同的引脚，这样CLKIN信号也同时输入至SCT中。
■如果某个引脚对应的固定功能未使能时，一个或多个可移动功能可以被分配使用该引脚；当没有任何可移动功能使用该引脚时，对应的GPIO输出端口将能够取得该引脚的控制权。使用GPIO输出功能时，需要关闭对应的固定功能并且没有任何可移动功能使用对应的引脚。
■一个或多个可移动功能可以被分配使用相同的引脚，但其中只能有一个可移动输出功能(包含双向功能信号)。多个可移动输入功能可以使用同一个引脚；例如多个SCT的输入端可以使用同一个引脚，这样可以用一个外部信号同步SCT的多组定时。
■当可移动输入功能与某个可移动输出功能被分配到同一个引脚时，这些输入功能将接收前述输出功能的信号。使用者可以用这个特性实现很多环回的操作；例如把USART的RXD和TXD信号通过此方式连接，实现自循环。
■不管引脚连接到哪种数字功能信号(固定数字功能、可移动功能或GPIO模块)，GPIO模块的输入端都始终与它对应的引脚连接，GPIO输入寄存器将反映引脚的数字电平状态。
■当任意模拟信号被分配使用外部引脚，该引脚的模拟焊盘被使能，同时数字焊盘将被断开。
■当任意数字输出信号被分配到外部引脚，该引脚的数字焊盘被使能。
■只要引脚的数字焊盘被使能(未断开)，对应的引脚中断就会有输入信号，即该引脚的输入信号(如果被使能的话)将可能触发引脚中断。
下面这个简单的流程图，以另一种方式描述了开关矩阵的用法。图片图9.开关矩阵的使用
1.3 开关矩阵的应用例程
下面将以两个例子展示如何使用开关矩阵：
第一个例子是使用SCT在板载LED灯上实现一个呼吸灯(SCT的呼吸灯不是本章重点，将不做注解)，然后通过改变开关矩阵的设置，实现一组LED灯的轮流显示。
第二个例子是使用LPC824的开关矩阵，把芯片上的两个USART模块进行对接，实现一发一收而不需片外连线。
1.3.1 设置开关矩阵的函数
开关矩阵的设置是通过一组32位寄存器PINASSIGN[n]，和一个32位寄存器PINENABLE0实现。
寄存器PINENABLE0中的每一位，是对应的固定功能的使能位，即图4或图5中的一个开关；表2最右边三列中的数字，分别是每个系列中各个固定功能信号使能位在寄存器PINENABLE0中的索引号。
对于PINASSIGN[n] 寄存器组，我们把它相像成一个字节数组，每个字节对应图6或图7所示的一个可移动功能开关组，即每个字节对应一个可移动功能，这个字节中填写的内容就是该功能被分配到的引脚编号。表1最右边三列中的数字，分别是每个系列中各个可移动功能信号，在上述字节数组中的索引号。例如在LPC82x和LPC83x系列中，功能SCT_OUT0的索引号是31，由于每个PINASSIGN寄存器里有四个字节，所以SCT_OUT0的配置字节是PINASSIGN[7]的第三个字节，即位24~31，如下图：图片
读者可以方便地使用下面这个函数设置可移动功能信号。
代码片段1.置可移动功能信号引脚的函数
这个函数简化了SWM寄存器的配置，以后会经常用到。
1.3.2 设置开关矩阵简例
■例1：使能I2C0的两个信号。
在LPC82x和LPC83x中，I2C0的两个信号是固定功能，需要使用PINENABLE0使能，分别使用P0_11和P0_12两个引脚：
在LPC81x中，I2C0的两个信号是可移动功能，可以使用上一节的函数设置引脚分配。
■例2：使能CLKIN输入功能，同时把这个信号作为所有SCT的输入。这个例子演示了把多个可移动功能分配至同一个引脚，同时使能这个引脚的固定功能。
引脚P0_1是固定功能CLKIN对应的引脚，使能CLKIN后P0_1即成为它的输入引脚，再把所有SCT的输入端也分配使用这个输入脚，这样输入信号也同时同步地导入至所有SCT的输入端。
1.3.3 通过开关矩阵实现呼吸灯的轮转
在LPC824-Lite开发板上共有八个LED灯，这部分线路图如下：
从上图中可以看出，八个LED灯分别连接到MCU的P0_7、13、16、17、19、27、28、18引脚上。
本例程使用LPC824的SCT产生一个PWM波形，当这个PWM信号输出到某个LED时，对应的LED就会忽明忽暗地显现呼吸灯的效果。例程中通过开关矩阵(SWM)，在不改变任何SCT配置的情况下，实现轮流逐个点亮LED灯的效果。在此基础上，通过变换GPIO输出，实现另一个LED灯的闪烁。
本例程可以让读者体会到，在不改变信号源的配置的情况下，仅改变SWM的配置即可改变信号的输出引脚；作为对比，GPIO的输出是不能通过开关矩阵改变输出引脚的，LED灯的闪烁操作则必须通过改变对应的GPIO输出状态，才能改变输出引脚的状态。
下图是SCT的PWM波形轮流输出至八个LED灯的示意图。
图10.轮流输出PWM信号至八个LED灯的示意图
为了实现呼吸灯的效果，即LED灯逐渐地由暗变亮，再逐渐地由亮变暗，需要控制输出PWM波形的占空比，从100%(全灭)逐渐减少至0%(全亮)，再从0%逐渐增加到100%。
本例程使用SysTick和几个全局变量控制PWM占空比的改变和时序。
代码片段2.SysTick中断处理函数——改变PWM占空比
SysTick的中断处理函数的操作非常简单，每次进入都会改变输出占空比；改变的速度快慢是由SysTick的设置决定。
下面代码就是主程序部分。
代码片段3.开关矩阵实现呼吸灯轮转主程序
初始化完所有用到的资源后，在主循环中有两个操作，其一是当SCT输出的占空比达到100%，转换SCT输出的外部引脚，实现呼吸灯的轮转；其二是使用GPIO输出控制另一个LED灯的闪烁。
数组LED_Pins[8]，是为了方便程序轮流操作八个LED灯；数组中存放了每个灯对应的引脚编号。
用GPIO输出，实现LED灯闪烁的实现代码如下。
代码片段4. GPIO实现LED灯闪烁
函数Toggle_LED_Pins()的作用就是定时变换LED灯的亮或灭，实现闪烁的效果。该函数以呼吸灯信号的占空比为定时依据，实现LED循环闪烁：
上述LED_On和LED_Off是两个宏定义，直接控制GPIO输出端口的状态：
#define LED_On(led) LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<(led))
#define LED_Off(led) LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<(led))
1.3.4 两个USART模块对接
这个实例演示了通过开关矩阵实现片内外设模块的互连，完成互相通信。
LPC800的每个USART模块都可以实现同步的串行传输，即比普通的异步传输多一条时钟信号线。本实例配置USART1作为发送方，配置USART2作为接收方，需要分别连接三个信号线，如下图：
通过开关矩阵的配置，上述连接可以在芯片内部直接实现。如果不需要连接其它外设，用户不必再对开发板进行任何改动。
下图是开关矩阵的配置代码， USART1和USART2的初始化代码和通信的测试代码不在此说明。
代码片段5.为USART1和USART2配置输入输出引脚
读者在运行这个例程时，可以尝试更改上述06~11行代码，分别把USART1和USART2的三个信号配置到不同的引脚，然后再在开发板上把对应的信号短接，以此体会开关矩阵在内部信号互连的特点。
在实际的项目开发中，用户可以使用开关矩阵的这一特性，配置本项目中没有用到的片内模块，对那些对外通信的模块实行适当的监测，在不干扰正常通信并且不增加任何外部硬件的情况下，提供更多的调试跟踪手段。
1.4 注意事项
开关矩阵的使用相当简单，但有以下几点需要注意的：
1. 配置开关矩阵时，必须先打开SWM的时钟，配置完成后，可以关闭SWM的时钟节省功耗。
2. 不能把多于一个的输出功能或双向功能信号，分配至同一个引脚上。
3. 只要引脚不是模拟功能，不管是输出功能还是输入功能，对应的GPIO输入端始终连接到引脚，这样通过GPIO端口随时可以读出引脚的电平状态。同时，如果在SYSCON中选择了该端口作为中断触发源，该引脚将可能触发中断，尤其当该引脚为数字输出功能时，芯片内部的输出信号也会触发中断。
通过开关矩阵SWM能够实现一个输出对多个输入信号的链接，这是通过把输出信号送到引脚上，再通过引脚的输入端口“穿回”到芯片内部。如果选择了模拟信号，那么只有模拟信号送到引脚上，数字信号不能送到引脚上，否则就会干扰模拟信号。而且这时候数字输入的那部分也是关闭的。如果不是最大封装，那些没封出来的引脚是可以用来做这种穿回，来实现内部信号互联。
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发表于 2023-12-21 11:11:59
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发表于 2023-12-21 14:08:06
发表于 2023-12-21 17:12:43
