英飞凌Aurix2G TC397 Port&Dio模块详解

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前言

本文主要介绍Infineon Aurix2G TC3XX系列芯片Port和Dio模块硬件原理、MCAL相关配置和部分代码实现。

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1、模块介绍

  任何一款芯片，都有几十上百个引脚，也就是我们常说的I/O（Input/Output)，这些引脚形成了芯片和控制板之间的连接。芯片的供电、调试、晶振输入以及板级外设的连接，都要依赖这些引脚。在这些引脚种类中，Port（端口）是芯片与板上其他外设或逻辑电路交互的重要引脚，用于芯片发出控制信号或接收外部信号。通过GPIO模式或各类通讯模式，对板载设备进行控制，比如通过GPIO模式进行板载设备的供电使能，通过SPI协议访问板上的其他外设芯片，通过RGMII协议与以太网收发器进行数据交互等。这里提一下，引脚一般只能负责主板之内的通信，跨板级的通信由于信号传输能力的问题，一般是通过收发器与外界进行交互，比如MCU将以太网数据通过引脚传输给板上的以太网收发器芯片Phy，Phy再通过网线将数据传输出去。Aurix TC3XX系列芯片具有丰富的Port连接，而且每个Pin脚具有多种功能复用，提供了丰富的实现方式，支持多种几乎所有板级引脚通讯协议。当我们需要使用某些引脚的时候，只需要进行相关的Port配置，在外设中就可以直接使用了。下面我们就来介绍Aurix TC3XX系列芯片的Port内部原理，各个控制寄存器，以及如何通过MCAL进行引脚功能配置。

2、功能介绍

2.1.特性介绍

TC3XX系列中引脚是分组的，一组引脚称为Port，每个Port有最多16个Pin脚。具体的引脚资源情况要参考对应芯片选型的DataSheet手册，下图是TC397的引脚Map图。

TC3XX的Port具有如下特性：
1.每个Port控制最多16个Pin脚；
2.软件能够控制每个Pin脚的输出；
3.输出修改寄存器易于清除，设置和切换单Pin脚和Pin脚的波形不影响其他Pin脚的状态；
4.软件能够读取每个Pin脚的输入值；
5.多路复用多达7个输出模式；
6.支持外设直接控制；
7.控制Pin脚的驱动特性，如驱动强度，偏移率，上拉/下拉，推挽或开路漏极操作，选择TTL或CMOS/自动输入电平；
8.紧急停止功能允许SMU或通过Pin关闭Pin脚输出；
9.对于具有LVDS功能的Pad对，它可以控制LVDS特性，并允许在LVDS和CMOS之间切换模式；
10.在减少引脚数的封装中，端口模块可以禁用所选引脚；

2.2.Port内部结构

TC3XX系列有多组Port（比如TC397有14组），每组Port有最多16个Pin，每个Pin的输入输出以及控制模式都可独立配置。每个Pin脚内部结构如下图。

  从图中我们可以看到，每个Pin脚包括一个Port Slice用于对引脚进行模式和输出控制，一个PAD用于与外界进行输入输出。每个Pin脚都可以被配置为输入或者输出，通过Pn_IOCR寄存器进行切换。当配置为输入时，输出连接将被切断，可通过Pn_IN寄存器读取Pin脚的状态值；当配置为输出时，根据对应的输出模式（GPIO，HW_OUT，ALT1，ALT2…等），进行对应的输出连接。输入端是直连的，也就是说无论输出还是输入模式，都可以通过输入端读取Pin脚的状态。当引脚配置为输出时，可通过配置多路复用选择器，同样也是通过配置Pn_IOCR寄存器进行输出模式控制。当输出模式配置为GPIO时，可通过Pn_OUT寄存器来控制Pin脚状态；当配置为ALT1~ALT7任意一种时，则根据该Pin脚的实际输出连接，由外设进行控制，比如TC375 DataSheet中P00.0，配置为ALT1为GTM控制；还有一种输出模式比较特殊，即最下边的HW_OUT控制模式，当Pin脚配置为该输出时，由外设直接控制，比如RGMII/RMII/MII信号，AD输出信号，与ALT不同的是，需要额外通过PCSR寄存器使能。
  另外当输出模式设置为GPIO时，还可以通过位操作寄存器来进行设置。包括位设置寄存器Pn_OMSR和Pn_OMSRx（x=0,4,8,12），位清除寄存器Pn_OMCR和Pn_OMCRx（x=0,4,8,12），以及位位操作寄存器Pn_OMR。其中位设置寄存器只能对输出位进行置位，也就是Pin脚拉高，位清除寄存器只能进行拉低。位操作寄存器除了能够进行拉高拉低，还能进行翻转操作（toggle），就不需要预先读取引脚状态。
  大部分引脚还有紧急停止功能（Emergency Stop），能够在紧急情况下与输出连接断开，成为一个输入引脚。急停功能由System Control Unit（SCR），负责控制，可选择Safety Management Unit（SMU）或者P33.8(A)、 P21.2（B）作为急停触发源，急停触发后所有配置急停使能的引脚都会执行急停操作，关闭输出。SCU内部关于急停的功能框图如下。

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2.3.Port控制寄存器

关于Port的原理部分其实内容比较简单，大致就是输入和输出，以及输出功能的配置，但是在使用过程中还是存在一些坑的，尤其是在使用高速SPI、RGMII/RMII/MII时，信号驱动能力和EMC等问题较难处理。下面我们就来介绍Port控制寄存器，并详细说明其控制功能。

2.3.1.输入输出控制寄存器（Port Input/Output Control Registers，IOCR）

  首先是Port的输入输出控制寄存器，该寄存器控制的功能比较多，包括Pin脚输入输出方向、输入上下拉配置、输出推挽或开漏配置、输出功能选择配置等。每个Port端口具有4个IOCR寄存器，对应Pin脚关系如下：
1.Pn_IOCR0: Pn.[3:0]
2.Pn_IOCR4: Pn.[7:4]
3.Pn_IOCR8: Pn.[11:8]
4.Pn_IOCR12: Pn.[15:12]
我们以Pn_IOCR0为示例，说明寄存器结构和内容。
我们可以看到每个IOCR寄存器有4个位域，分别对应其控制的4个Pin脚，每个位域有5位，这5位表征的值参见下表。

从表中我们可以看出：
1.位域的最高位PCx[4]为1时，则为输出，为0则该Pin脚为输入；
2.当Pin脚为输入时
3.PCx[1:0]表征该Pin脚的上下拉状态；
4.当Pin脚为输出时
5.PCx[3]表征该Pin脚的输出方式，0表示推挽输出，1表示开漏输出；
6.PCx[0:2]表征该Pin脚的输出功能选择，0表示GPIO功能1_{7分别对应ALT1}ALT7；
  这里有些地方需要注意，如果配置为输入上拉，在外部阻抗较小的情况下是可能输出虚高电平的，如果硬件明确该引脚需要输出低，则就会出现问题。另外对于一些硬件场景，比如使用I2C通讯时，对于所有主从设备，一般外部是有公共上拉的，因此这时候MCU作为主机，输出如果配置为推挽，就会导致通讯失败，需要配置为开漏。

2.3.2 驱动模式寄存器（Pad Driver Mode Register，PDR）

驱动模式寄存器负责控制输出时的驱动强度、翻转速度以及输入上下拉的电源电阻。每个Port端口有两个PDR寄存器，其中PDR0对应Pin0-PIN7，PDR1对应Pin8~Pin15。每个PDR寄存器中包括两部分内容，分别是输出控制的PDx和输入控制的PLx，其寄存器结构如下。

从图中我们可以看到每个Pin脚有一个PDx和一个PLx，都占两个位宽:

其中PDx控制了输出时的驱动强度和翻转能力，驱动强度和翻转能力越高，对抗外部阻抗的能力就越强，信号的波形就越方正，作为牺牲，功耗就会拉高，并且产生的信号辐射和干扰（EMC）就会越高。因此选择怎样的驱动强度和翻转能力，要具体取决于引脚的翻转频率，外部阻抗和EMC需求，比如SPI时钟较高，达到了30MHz，那对应的驱动强度就应该调高，否则信号波形跳变达不到要求，就会导致对端采样出错，通信失败；而对于GMII这样的高速以太网通信，时钟一般高于100MHz，这时候容易产生高辐射，超出EMC要求的标准，反而需要适当降低驱动强度，甚至需要修改硬件电路。

关于驱动强度和翻转能力，TC3XX的不同Pin脚具有不同的驱动速度，包括RFAST、FAST、SLOW，这是硬件资源情况，每个Pin脚类型需要查询对应的DataSheet，比如下图中P00.8为SLOW。

然后对于不同驱动速度的引脚，PDx的含义不同，每个PDx有两个bit位，对应PDx.0和PDx.1，具体情况参考下面对应的表格。比如有一个RFast Pin脚，我想配置位RGMII模式，则PDx=11b。

另外需要注意的是，SpeedGrade越小，表示对应的强度越高，功耗和EMC等级也就越高，RGMII属于例外。

然后我们再回到PAD寄存器的PLx，PLx表征的是输入时的上下拉电源和电阻情况，每个PLx也是两个bit位宽。具体的配置情况查询下表。

2.3.3 差分控制寄存器（LVDS Pad Control Register，LPCR）

TC3XX系列芯片的Port支持差分信号功能，比如通过Hssl协议与外设进行信号交互时，此时数据采用的是差分信号，因此引脚要配置为差分信号模式。
每个Port有8个LPCR寄存器，每个寄存器控制一对Pin脚，相邻的两个Pin组成一对差分Pin脚。差分信号控制寄存器中，[0_{7]位为输入差分控制，[7}15]位为输出差分控制，位[7]为输入输出公用位。

1.REN_CTRL：输入控制选择，为0时表示普通Pin控制，1表示由HSCT控制，也就是Hssl协议使用；
2.RX_EN：输入控制使能位，为1表示使能接收LVDS，0表示CMOS；
3.TERM：接收接地模式，0表示使用芯片外接电阻接地，1表示内部连接一个100Ω电阻接地；
4.LRXTERM：芯片测试阶段的可编程接地电阻设置，不允许用户修改的；
5.LVDSM：LVDM-M模式使能，0表示默认使用LVDS-H模式，1表示使用LVDS-M模式，可降低数据速率到160Mbps，以降低静态电流；PS：选择该Pin脚对的外部供电Vext，0表示3.3V，1表示5V；
6.TEN_CTRL：输出控制选择，为0时表示普通Pin控制，1表示由HSCT控制，也就是Hssl协议使用；
7.TX_EN：输出控制使能位，为1表示使能接收LVDS，0表示CMOS；
8.VDIFFADJ：LVDS输出幅值调节，可用来调节输出幅值，调节能力参考DataSheet中Vod；

1.VOSDYN：VOS控制静态/动态回环调节，不允许用户修改；
2.VOSEXT：VOS控制内部/外部回环调节，不允许用户修改；
3.TX_PD：TC3XX中未使用该位，TX_EN可表征发送LVDS开关；
4.TX_PWDPD：发送端下电下拉，该功能禁用或启用LVDS下拉电阻；上电时应用程序代码必须禁用TX下拉电阻与；使用5.LVDS下电配置时，如果需要，必须启用下拉功能；

2.3.4 Pin脚AD功能选择寄存器（Pin Function Decision Control Register，PDISC）

TC3XX系列中部分Pin脚是支持AD输入的，也就是将Pin复用为AD采样引脚，比如P40.0复用为AN24。如果复用为AD引脚，那Port端无法再去读取引脚的输入，而是由ADC模块来负责采样读取。

每个Port端口有一个PDISC寄存器，16个位域各控制一个引脚。

PDISx：Pinx的输入控制，0表示数字输入，为普通Pin脚，1表示模拟输入，ADC Pin脚；

2.3.5 Pin脚控制选择寄存器（Pin Controller Select Register，PCSR）

前面我们提到，部分引脚是可以由外设直接控制的，比如RGMII输出，SMU的FSP输出，SCR（standby核）的控制。对于这类引脚，是需要通过配置PCSR寄存器使能的，否则外设无法控制。

每个Port端口有1个PCSR寄存器，其结构如下。

1.SELx：Pinx控制选择，0表示不使能外设控制，1表示使能。
2.LCK：该位是一个只读位，为1时表示数据正在向SCR核传递，无法修改PCSR寄存器，为0则可修改。
PCSR寄存器的使用还是需要注意的，尤其在以太网通信中，输出端Pin脚是需要配置该寄存器为1的。

2.3.6 Port输出寄存器（Port Output Register，OUT）

当Pin脚被设置为GPIO输出时，可直接通过修改输出控制寄存器的值来输出电平，1就是高电平，0就是低电平。每个Port端口有一个OUT寄存器，16个位域对应16个Pin脚。

2.3.7 Port输出修改寄存器（Port Output Modification Register，OMR）

如果我们需要修改某一个Pin脚，一般是希望Port中的其他Pin脚保持不变的，这时候如果使用OUT寄存器则需要先回读OUT的状态，再修改我们需要修改的位。但是这样未免有点浪费资源，因此我们可以通过操作OMR寄存器，只操作我们的目标位，其他位不进行修改。

每个Port有一个OMR寄存器，包括16个Set位和16个Clear位，分别对应16个Pin脚。

关于OMR的Pin脚具体操作，我们通过查询下表可知，如果要拉高某个Pin脚，就将PSx置1，拉低则将PCLx置1，如果要翻转两个都置1，而其他没有设置位的Pin脚则不会受影响。

然后这个修改是直接作用于OUT寄存器的，因此不用担心OUT不同步的问题，另外该寄存器是虚拟的，没有存储位的，也就是说写这个寄存器相当于执行一种操作，而不是修改某个值，回读的话也是0。

2.3.8 Port输出修改置位寄存器（Port Output Modification Set Register，OMSR）

除了OMR寄存器，TC3XX还支持置位寄存器OMSR，它和OMR功能一样是虚拟寄存器，只不过是置位功能。每个Port端口有一个MOSR，16个位域对于16个Pin脚。

PSx：Pinx置位，1表示将该Pin脚拉高，0表示无操作；
同样的，OMSR的功能是将对应的OUT寄存器的位拉高，其他位则不进行操作。回读该寄存器的值为0.
另外TC3XX还提供了4个OMSRx寄存器，同样是虚拟寄存器，区别在于每个寄存器只控制4个Pin脚，这里就不展开介绍了。

2.3.9 Port输出修改清除寄存器（Port Output Modification Clear Register，OMCR）

和输出修改置位寄存器的功能相反，修改清除寄存器OMCR的功能是将目标位清零，其他位不作修改。每个Port端口有一个OMCR寄存器，和4个OMCRx寄存器，每个位域对应一个Pin脚。

PCLx：Pinx清除位，1表示将该Pin脚拉低，0表示无操作；

2.3.10 急停开关寄存器（Emergency Stop Register，ESR）

急停开关寄存器用于控制急停功能的使能，注意这里仅仅是使能，急停的触发在SCU模块内配置。每个Port端口有一个ESR寄存器，16个位域对应16个Pin脚。

ENx：Pinx急停开关使能位，0表示不使能，1表示使能；

2.3.11 Port输入寄存器（Port Input Register，IN）

Port输入寄存器可以用来读取Pin脚当前的状态，无论Pin脚处于输入还是输出，都可以通过IN寄存器读取Pin脚的高低电平。每个Port端口有一个IN寄存器，16个位域分别对应16个Pin脚。

Px：Pin脚读取状态，0表示低电平，1表示高电平；

2.3.12 寄存器总结

Port的内部逻辑其实不复杂，这里对控制寄存器做下总结：
Port需要设置输入输出，包括输入上下拉，输出推挽等，使用输入输出控制寄存器IOCR；
驱动模式需要调整以适配不同的硬件需求，使用驱动模式寄存器PDR；
Pin脚如果复用为ADC，使用Pin脚AD功能寄存器PDISC；
Pin脚如果需要被外设控制例如使用RGMII接口，使用Pin脚控制选择寄存器PCSR；
Pin脚如果需要修改GPIO输出，可使用OUT、OMR、OMSR、OMCR；
读取Pin脚状态使用IN寄存器；

3.使用示例

介绍完了内部原理及寄存器，下面我们基于Aurix 2G的官方MCAL，使用EB Tresos工具来进行配置。通过两个示例来给大家讲解如何进行Port的配置。第一个是一个Dio使用示例，第二个是SPI配置示例。

3.1. GPIO使用示例

Dio配置这里我们做一个Pin脚状态读取和Pin脚状态输出。我这边开发板上P00.7是一个输入按钮，所以输入我选择这个Pin脚，输出的话P00.6有一个LED灯，能够指示输出。软件上循环读取P00.7的状态，并将其值直接输出给P00.6。开发板上按键按下是低电平，LED灯是低电平点亮，所以这里表现应该是按下按键则灯亮。

1.首先我们来到Port这里，打开P00.7界面，这里PortPinSymbolicName输入一下，方便维护；PortPinDirection配置为输入；其他基本不用修改。

。。。。。未完待续