1、前言
GPIO的全称为General Purpose Input/Output，也就是通用输入/输出接口，它是嵌入式SoC上最基本、最常用的外设，在我们开始接触一款新的嵌入式芯片的时候，首先需要了解和使用的就是GPIO，就好比我们编程的第一个程序"Hello World"一样。
GPIO通用输入/输出外设提供了通用的可配置输入或者输出引脚，当引脚被配置为输出的时候，可以写入SoC内部寄存器进而控制引脚上的驱动状态，当引脚被配置为输入时，可以通过读取SoC内部寄存器的状态来确定引脚的输入状态，另外，GPIO外设也能产生芯片内核中断，GPIO是芯片IOMUX Controller(IO复用控制器)的模块之一。
2、IOMUX复用GPIO原理
在较复杂的嵌入式SoC中，芯片引脚往往是有限的，为了能够让引脚充分地发挥作用，都会有一个IO复用控制器，通过配置IO复用控制器的寄存器，可以使IO口复用为GPIO、I2C接口、SPI接口引脚等，因此，在了解GPIO相关的控制原理前，我们需要先了解一下I.MX6UL中的IO复用控制器，对于GPIO的复用机制，如下所示：
上图中的IOMUXC就是IOMUX Controller(IO复用控制器)，该模块中主要分成了两部分，第一部分是MUX_MODE，也就是复用模式的配置，例如可以复用为GPIO、I2C等引脚复用模式，和引脚复用相关的配置寄存器名称为SW_MUX_CTL_PAD_*，*表示引脚的名称，以GPIO1_IO00这个引脚为例子，引脚复用模式配置的寄存器为SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00，该寄存器描述在I.MX6UL芯片的参考手册如下：
可以看到寄存器SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO00的bit[3:0]是用来配置引脚的复用模式的，总共有9种复用模式，为ALT0~ALT8，当bit[3:0]=0101的时候，引脚被复用为GPIO，也就是通用的输入/输出接口，另外，芯片复位的时候，引脚的复用模式为ALT5，也就是GPIO。
第二部分则是pad settings，也就是引脚的电气属性配置，例如：配置引脚的驱动能力、上下拉等引脚的电气属性，引脚相关的配置寄存器名称为SW_PAD_CTL_PAD_*，*同样是引脚的名称，同样以GPIO1_IO00这个引脚为例子，引脚电气属性相关的配置寄存器名称为SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO00，该寄存器在I.MX6UL芯片的参考手册如下（只截取部分）：
该寄存器就是配置引脚的电气属性的，在了解寄存器中bit配置的含义前，先来看看GPIO引脚的结构框图，如下所示：
可以对照着上面的引脚框图，来看看SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO00寄存器中各bit表示的含义：
HYS(bit16)：用于设置输入接收器的施密特触发器是否使能，IO口作为输入引脚时有效，使能的话能对输入波形进行整形。
PUS(bit[15:14])：用来设置引脚的上下拉电阻的，能设置的选项如下：
| bit[15:14] | 含义 |
| 00 | 100K下拉 |
| 01 | 47K上拉 |
| 10 | 100K上拉 |
| 11 | 22K上拉 |
PUE(bit13)：IO口作为输入时有效，用来设置上下拉还是状态保持，该bit为1的时候使用上下拉，为0的时候为状态保持，状态保持就是当外部电路断电以后，该IO口能保持住以前的状态。
PKE(bit12)：用来使能或者禁止上下拉/状态保持功能。
ODE(bit11)：当IO口作为输出的时候，用来使能或者禁止开路输出。
SPEED(bit[7:6])：当IO口作为输出的时候，用来设置IO口的速度，设置选项如下：
| bit[7:6] | IO速度 |
| 00 | 低速50MHz |
| 01 | 中速100MHz |
| 10 | 中速100MHz |
| 11 | 高速200MHz |
DSE(bit[5:3])：当IO口作为输出的时候，用来设置IO口的驱动能力，设置选项如下：
| bit[5:3] | IO驱动能力 |
| 000 | 关闭输出驱动能力 |
| 001 | R0(3.3V下R0为260欧，1.8V下R0是150欧，接DDR为240欧) |
| 010 | R0/2 |
| 011 | R0/3 |
| 100 | R0/4 |
| 101 | R0/5 |
| 110 | R0/6 |
| 111 | R0/7 |
SRE(bit0)：用来设置压摆率（IO电平跳变所需要的时间），时间越小波形越陡，压摆率越高，设置为1的时候为高压摆率。
上面描述的只是IO引脚的IOMUXC相关寄存器，用来设置IO的引脚复用模式和引脚的电气属性配置，当将IO口复用为GPIO后，需要查看芯片参考手册关于GPIO描述的章节，并对其使用到的寄存器有一定的了解。
3、GPIO控制机制
对于I.MX6UL这款SoC，总共有5组GPIO，为GPIO1~GPIO5，GPIO1有32个IO，GPIO2有22个IO，GPIO3有29个IO，GPIO4有29个IO，GPIO5有12个IO，一共有124个GPIO可以使用，GPIO的框图如下所示：
从图中，可以看到，当我们将IO口复用为GPIO的时候，需要关注的有8个寄存器，分别是GPIOx_DR、GPIOx_GDIR、GPIOx_PSR、GPIOx_ICR1、GPIOx_ICR2、GPIOx_IMR、GPIOx_ISR和GPIOx_EDGE_SEL，每组GPIO都有相关的8个寄存器，接下来，我们依次看一下GPIO的寄存器有什么含义：
首先来了解一下GPIOx_DR寄存器，也叫做GPIO数据寄存器，它的定义如下所示：
数据寄存器是一个32bit的寄存器，一个GPIO组最大的引脚数量就是32个，每一个位都对应了一个相应的GPIO，当GPIO被设置为输出模式时，向指定的数据寄存器中的位写入数据，那么对应的IO口就会输出电平值，例如：要设置GPIO1_IO00输出高电平的话，需要向GPIO1_DR寄存器的bit0写入1。当GPIO被设置为输入模式时，数据寄存器就保存着对应的IO口的电平值，每个数据位对应着一个GPIO，例如：当GPIO1_IO00被设置为输入模式时，引脚此时被拉高，如果读取GPIO1_DR寄存器的bit0的话，将返回1，表示此时IO口为高电平。
了解了GPIOx_DR寄存器，接下来看看GPIOx_GDIR寄存器，也叫做GPIO方向寄存器，它的定义如下：
GPIOx_GDIR寄存器也是一个32bit的寄存器，每一个bit对应着一个IO口，该寄存器是用来设置IO口的工作方向，可配置为输入或者输出方向，例如：如果想设置GPIO1_IO00为输入方向的话，需要设置GPIO1_GDIR寄存器的bit0为0，想设置GPIO1_IO00为输出方向的话，需要设置GPIO1_GDIR寄存器的bit0为1。
接下来，看看GPIOx_PSR寄存器，也叫做GPIO引脚状态寄存器，定义如下：
GPIOx_PSR也叫做引脚状态寄存器，该寄存器同样是一个位对应着一个IO口，当GPIO的方向设置为输入时，读取相应的位将返回对应的IO口的电平状态。
接下来，就是GPIOx_ICR1和GPIOx_ICR2寄存器，也叫做GPIO中断控制寄存器，其中GPIOx_ICR1用来设置低16个GPIO，GPIOx_ICR2用来设置高16个GPIO，每两个位域配置一个GPIO，GPIOx_ICR1寄存器的定义如下：
该寄存器用来配置IO00~IO15的中断触发方式，可配置的中断触发方式选项如下：
| 位设置 | 中断触发方式 |
| 00 | 低电平触发 |
| 01 | 高电平触发 |
| 10 | 上升沿触发 |
| 11 | 下降沿触发 |
例如：如果要设置GPIO1_IO15引脚的中断触发方式为上升沿触发，那么需要设置GPIO1_ICR1寄存器的bit[31:30]=10，想要设置GPIO1_IO16~GPIO1_IO31引脚的中断触发方式的话，就需要设置GPIO1_ICR2寄存器了。
GPIOx_IMR寄存器也叫做GPIO中断屏蔽寄存器，定义如下所示：
该寄存器的作用是用来控制GPIO外部中断的使能或者禁止的，每个位对应着一个IO口。
GPIOx_ISR寄存器也叫做中断状态寄存器，定义如下所示：
该寄存器同样是一个32位的寄存器，每个位对应着一个IO口，当某个GPIO的中断发生后，GPIOx_ISR寄存器中对应的位将会被置1，可以通过该寄存器的位来判断GPIO中断是否发生，当我们处理完中断后，需要将对应的中断状态标志位清空，清除状态标志位的方法就是往GPIOx_ISR寄存器对应的位写1。
接下来就是GPIOx_EDGE_SEL寄存器，该寄存器也叫做边沿选择寄存器，定义如下：
该寄存器是用来设置边沿中断触发的，同样是每个位对应着一个IO口，当某个位被置1时，将会重写GPIOx_ICR1和GPIOx_ICR2寄存器，此时，对应的GPIO将会是双边沿中断触发。
有关GPIO相关的寄存器就介绍到这，更多的GPIO寄存器描述，可以查看芯片的参考手册。
4、GPIO编程思路
接下来，我们了解一下GPIO的编程思路，主要介绍两种模式，GPIO读模式和GPIO写模式：
（1）GPIO读模式
对于读取输入信号引脚的编程思路如下所示：
- 配置IOMUX去选择GPIO复用模式（通过IOMUX控制器）
- 配置GPIO方向寄存器为输入方向（GPIO_GDIR[GDIR]设置为0）
- 读取GPIO的数据寄存器或者引脚状态寄存器获取当前IO口的电平值
例如，读取GPIO[input3:input0]引脚电平值的伪代码描述如下所示：
// 设置input引脚复用为GPIO模式 write sw_mux_ctrl_<input0>_<input1>_<input2>_<input3>, 32'h00000000 // 设置GDIR寄存器，将GPIO方向设置为输入 write GDIR[31:4, input3_bit, input2_bit, input1_bit, input0_bit], 32'hxxxxxxx0 // 读取DR寄存器，获取GPIO引脚对应的电平值 read DR // 读取PSR寄存器，获取GPIO引脚对应的电平值 read PSR
在GPIO读模式下，需要注意，当GPIO的方向被设置为输入时（GPIO_GDIR=0），对GPIO_DR寄存器的读请求并不会返回GPIO_DR寄存器的数值，而是返回GPIO_PSR寄存器里面的数据，该寄存器的数据对应着GPIO输入信号引脚的电平值。
（2）GPIO写模式
对于驱动输出信号的编程思路如下所示：
- 配置IOMUX将IO口复用为GPIO模式（通过IOMUX控制器），如果需要通过PSR读取引脚当前的电平，也可以使能SION
- 配置GPIO的方向寄存器将GPIO方向设置为输出（GPIO_GDIR[GDIR]设置为1）
- 将值写入到GPIO数据寄存器（GPIO_DR）
例如，驱动IO口电平值4'b0101在GPIO引脚[output3:output0]的伪代码描述如下：
// 设置IO口的复用模式为GPIO模式通过IOMUX write sw_mux_ctrl_pad_<output [0-3]>.mux_mode, <GPIO_MUX_MODE> // 使能SION以便在输出模式通过PSR读取到引脚的电平状态 write sw_mux_ctrl_pad_<output [0-3]>.sion, 1 // 写GDIR寄存器将GPIO方向设置为输出 write GDIR[31:4, output3_bit, output2_bit, output1_bit, output0_bit], 32'hxxxxxxxF // 写DR寄存器，设置对应IO口的电平值 write DR, 32'hxxxxxxx5 // 读取输出的值通过PSR寄存器 read_cmp PSR, 32'hxxxxxxx5
以上，就是GPIO基本的编程思路。
5、GPIO控制实例汇编代码
了解I.MX6U系列SoC的IOMUX控制的基本原理以及GPIO控制机制和相关GPIO配置寄存器后，接下来我们用汇编语言实现一个GPIO的控制，以GPIO1_IO08引脚为例，将该IO口引脚设置为GPIO复用模式，并设置GPIO的方式为输出，并输出高电平，编程思路如下：
- 使能GPIO1的时钟
- 配置SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO08寄存器，将GPIO1_IO08引脚复用为GPIO模式
- 配置SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO08寄存器，设置GPIO1_IO08引脚的电气属性，例如上/下拉、速度等
- 配置GPIO1_IO08相关的寄存器，设置GPIO的方向、是否使用中断、默认的引脚输出电平等
相关的寄存器地址，可以在I.MX6UL芯片的参考手册中找到，新建汇编文件gpioctrl.S，汇编文件代码如下：
.global _start _start: /* 1、使能时钟 */ ldr r0, =0x020c4068 /* 将寄存器地址CCM_CCGR0写入到r0 */ ldr r1, =0xffffffff /* 将所有外设时钟使能 */ str r1,[r0] ldr r0, =0x020c406c /* 将寄存器地址CCM_CCGR1写入到r0 */ str r1,[r0] ldr r0, =0x020c4070 /* 将寄存器地址CCM_CCGR2写入到r0 */ str r1,[r0] ldr r0, =0x020c4074 /* 将寄存器地址CCM_CCGR3写入到r0 */ str r1,[r0] ldr r0, =0x020c4078 /* 将寄存器地址CCM_CCGR4写入到r0 */ str r1,[r0] ldr r0, =0x020c407c /* 将寄存器地址CCM_CCGR5写入到r0 */ str r1,[r0] ldr r0, =0x020c4080 /* 将寄存器地址CCM_CCGR6写入到r0 */ str r1,[r0] /* 2、设置GPIO1_IO08引脚IO复用为GPIO1_IO08 */ ldr r0, =0x020e007c /* 将寄存器IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO08写入r0 */ ldr r1, =0x5 /* 设置IO引脚复用模式为GPIO1_IO08 */ str r1,[r0] /* 3、配置GPIO1_IO08引脚电气属性 * bit[16]: 0 关闭HYS * bit[15:14]: 00 默认下拉 * bit[13]: 0 keeper * bit[12]: 1 pull/keeper使能 * bit[11]: 0 禁止开路输出 * bit[10:8]: 000 reserved * bit[7:6]: 10 速度为100MHz * bit[5:3]: 110 驱动能力为R0/6 * bit[2:1]: 00 reserved * bit[0]: 0 低摆率 */ ldr r0, =0x020e0308 /* 将寄存器IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO08写入r0 */ ldr r1, =0x10b0 /* 设置GPIO1_IO08引脚电气属性 */ str r1,[r0] /* 4、配置GPIO1_IO08引脚方向为输出 */ ldr r0, =0x0209c004 /* 将寄存器GPIO1_GDIR地址写入r0 */ ldr r1, =0x00000100 /* 将GPIO1_IO08方向设置为输出 */ str r1,[r0] /* 5、控制GPIO1_IO08引脚电平高低 */ ldr r0, =0x0209c000 /* 将寄存器GPIO1_DR地址写入r0 */ ldr r1, =0x00000100 /* 将GPIO1_IO08引脚设置为高电平 */ str r1,[r0]
汇编代码gpioctrl.S编写完成后，如果想要编写的应用程序能在I.MX6UL目标板上运行，那么接下来，就需要先在宿主机中使用gcc交叉编译工具链进行编译链接出gpioctrl.bin文件，对于I.MX6UL芯片的启动要求，还需要在.bin文件前面添加相应的数据结构，例如：IVT、Boot Data以及DCD数据结构，成为.imx结尾的镜像文件，可以借助于uboot源码中mkimage工具进行实现，得到了gpioctrl.imx镜像文件后，烧写到目标板的启动设备即可，上电后便可以执行我们自己编写的汇编程序。
接下来，看看如何使用gcc交叉编译工具编译链接出相应的gpioctrl.bin文件：
首先，将汇编源文件gpioctrl.S编译成gpioctrl.o文件，一个工程下的所有C文件和汇编文件都会编译产生一个对应的.o文件，所有的.o文件链接组合成可执行文件，在宿主机Linux终端下输入下面命令：
$ arm-linux-gnueabihf-gcc -g -c gpioctrl.S -o gpioctrl.o
命令执行后，将会生成相应的gpioctrl.o文件，命令中的"-g"选项表示加入调试信息，能够使用gdb对这些代码进行调试，"-c"选项表示指定编译的源文件，但是并不链接，"-o"选项表示指定目标文件的名称。
编译得到了我们需要的gpioctrl.o文件后，接下来，使用arm-linux-gnueabihf-ld链接工具将.o文件链接到一个指定的地址（DRAM地址0x87800000），可以使用下面命令：
$ arm-linux-gnueabihf-ld -Ttext 0x87800000 gpioctrl.o -o gpioctrl.elf
命令执行后，将会生成相应的gpioctrl.elf文件，"-Ttext"选项是用来指定链接地址的，"-o"选项指定链接后生成的目标文件名。
链接后得到了gpioctrl.elf文件后，接下来，使用arm-linux-gnueabihf-objcopy进行格式转换，因为，我们需要的是二进制文件gpioctrl.bin，也就是用户镜像文件，可以使用下面命令：
$ arm-linux-gnueabihf-objcopy -O binary -S -g gpioctrl.elf gpioctrl.bin
命令执行后，将会生成相应的gpioctrl.bin文件，"-O"选项用来指定以什么文件格式输出，命令的"binary"表示以二进制文件.bin格式输出，"-S"选项表示不需要复制源文件中的重定位信息和符号信息，"-g"选项表示不复制源文件中的调试信息。
此外，如果使用C语言编写的应用程序，想要查看对应的汇编代码的话，需要进行反汇编，一般使用.elf文件进行反汇编，可以使用下面命令进行反汇编：
$ arm-linux-gnueabihf-objdump -D gpioctrl.elf > gpioctrl.dis
命令执行后，将会生成相应的反汇编文件gpioctrl.dis，"-D"选项表示反汇编所有的段。
编译并链接出来用户镜像文件gpioctrl.bin文件后，接下来，我们需要使用uboot源码中集成的mkimage工具将启动要求的数据结构IVT+Boot Data+DCD添加进去得到gpioctrl.imx镜像文件，我们需要烧写到目标板启动设备的文件就是以.imx结尾的可编程镜像文件，里面包含了用户镜像.bin文件，否则的话将不能成功启动I.MX6UL的目标板。
以mx6ul_14x14_evk的板子为例，对于mkimage的使用，如下：
./tools/mkimage -n ./board/freescale/mx6ul_14x14_evk/imximage.cfg.cfgtmp -T imximage -e 0x87800000 -d gpioctrl.bin gpioctrl.imx
在上面命令中，"-e"选项指定了用户镜像的入口地址，该地址需要和gpioctrl.bin文件编译链接的地址一致，命令执行后，将生成能烧写的可编程镜像文件gpioctrl.imx，烧写到目标板的启动设备即可执行我们编写的汇编裸机程序gpioctrl.bin。
6、小结
本篇文章主要介绍了I.MX6U系列SoC的IOMUXC复用的基本机制，以及GPIO的基本控制原理，GPIO使用的基本编程思路等，最后给出了一个简单GPIO控制的汇编实例。