芯片端子的多路复用

嵌入式软件的开发，经常要和芯片打交道，和个人电脑的通用平台的CPU使用X86或X64架构不同，嵌入式电子产品使用的主控芯片是各种各样的，从8051单片机，到ARM Cortex-M系列，再到ARM Cortex-A系列加Linux系统等。

PC的CPU架构比较统一，型号少，差异自然也小，而电子产品上用的芯片差异就很大，根据使用场景不同，需要不同的引脚或端子数目，同时集成了不同的片上资源，比如I2C、SPI、UART、USB等，并通过端子来将信号传递给外部或捕捉外部信号。

芯片上包含的端子或管脚（pin）是有限的，所以大部分的端子会有多个信号选项，比如可以作为I2C的clock信号，或者作为SPI的CS信号，或者作为AD转换的输入信号，或者作为普通GPIO等。就是让我们的IC可以将一个引脚（PAD）share给多个功能块（function block）。这种共享的实现方式，是将引脚的输入输出信号进行多路复用。

这些信号和端子的对应关系，是由IOMUX（input-output multiplexer）控制的，IO复用控制器。

IOMUX也用来配置端子的其他属性，比如电压档(3.3V / 1.8V)、驱动电流大小等。

这些芯片所接收或产生的信号，都属于外部信号，可以将它们按照模组(module instance)来分类，比如UART1， UART2，i2c1等。

下面以IMX6ULL芯片的某部分Muxing(等于multiplexing) Options为例：

在Chapter 4: External Signals and Pin Multiplexing。

Instance	Port	Pad	Mode
I2C2	SCL	CSI_HSYNC	ALT3
		GPIO1_IO00	ALT0
		UART5_TX_DATA	ALT2
	SDA	CSI_VSYNC	ALT3
		GPIO1_IO01	ALT0
		UART5_RX_DATA	ALT2

I2C2, 是芯片上4个I2C bus中的第二个，这个放在instance一列。

有两个信号，clock和data，这个是port，是指片上外设使用的信号。即对于I2C总线，使用SCL和SDA两个信号，这里的是芯片里集成的第二个I2C控制器。

这两个信号，可以分配到芯片的不同的端子上，比如SCL就有3个选择，可以选择分配三个引脚的某一个。

Pad指的是引脚或端子名字，是唯一的，命名方式可能是和module有关，也可能是GPIO编号命名，这个根据芯片的Datasheet的定义。

Mode表示的是这个Pad所选择的工作模式，具体支持多少种要以芯片手册为准，比如ALT0 ~ ALT7（Alternative），就是一个Pad最多可以选择对应8种不同的信号。这个ALT数值可以在寄存器里设定，来配置端子对应于不同的信号。

我们注意到，一个PAD加上一个Mode唯一确定了一个引脚的工作状态，表明当前要用于某个信号。

以上面的例子，I2C2的SCL信号，可以选择UART5_TX_DATA这个引脚的ALT2模式，表示这个引脚用于I2C2控制器的SCL信号，这就是一个完整的IOMUX配置项。

我们再看一下以GPIO功能为分组的IOMUX配置：

Instance	Port	Pad	Mode
GPIO1	IO0	GPIO1_IO00	ALT5
	IO1	GPIO1_IO01	ALT5
	IO2	GPIO1_IO02	ALT5
	IO3	GPIO1_IO03	ALT5
	...	...	...
	IO27	UART3_RTS_B	ALT5
	IO28	UART4_TX_DATA	ALT5
	IO29	UART4_RX_DATA	ALT5
	IO30	UART5_TX_DATA	ALT5
	IO31	UART5_RX_DATA	ALT5

这里就看到，PAD名字有的是以GPIO号命名，有的是以Module信号命名。

上面提到的UART5_TX_DATA这个PAD，对应的是GPIO1的第30号Pin，而作为GPIO的功能来使用，选择的就是ALT5模式。

关于多路复用功能，在硬件上包含IOMUX（实现多路复用的逻辑组合，a basic IOMUX cell）和IOMUX_CTL（多路复用控制器，控制信号选择、端子设置等）。

下面的图显示了一个简单的Soc框图，两种端子复用的情况：

第一个是通常的端子复用例子：

Module A, Module B,和Module GPIO 通过IOMUX共享同一个端子，复用配置通过IOMUX_CTL来控制。

第二个是没有使用复用的例子：

端子由Module C专用，信号在Module C和端子之间直接联通，没有IOMUX cell参与。

如图显示的这款芯片的多路复用功能，每个IOMUX cell最多支持8个模式（muxing modes (ALT0–ALT7)），表示每个pin最终可以由8个信号共享。

还可以看到IOMUX_CTL分为控制Input select的，PAD control的，还有MUX control的。

 

（完）