RP2040 学习笔记（二）：各种低速外设

0x00 RP2040 外设概述

上一篇文章中，我们已经从 data brief 得知 RP2040 拥有两个串口、两个 SPI、两个 I2C、16 个 PWM、一个 USB 1.1 以及 8 个 PIO。本文将讨论一些常用的外设。从下图中可以看到，这些外设一方面与 GPIO 连接，一方面连到 bus fabric，以与处理器通讯。

根据文档，bus fabric 内部是如此实现的：AHB-Lite crossbar 在 4 个上游（处理器核、DMA）与 10 个下游（内置 ROM、6 个 SRAM、APB Brigdge、Flash XIP、AHB Lite Splitter）之间传输地址和数据，每个时钟周期内可以发生 4 次传输。APB Bridge 连接到 UART、SPI 等低速外设。

RP2040 的地址空间如下表：

本文将对这些低速外设进行实验。

0x01 串口

得益于 pico sdk，我们可以直接使用 printf 等函数来在串口上输出，如同运行在电脑上的普通程序那样。代码如下：

#include "pico/stdlib.h"
#include <cstdio>

int main() {
    stdio_init_all();

    puts("Hello, world!");

    while (true) {
        tight_loop_contents();
    }
}

将 debug probe 的 RX/TX 连接到开发板的 TX/RX，使用 minicom -b 115200 -D /dev/ttyACM0 或 gtkterm 以查看串口。

特殊地，pico sdk 还帮我们实现了基于 usb 协议的串口。要打开这个功能，我们只需修改 CMakelists.txt，加入这一行：

pico_enable_stdio_usb([项目名] 1)

此时，stdio_init_all() 就会帮我们初始化 usb 串口。

而 scanf() 也是可用的，于是我们可以从电脑向 RP2040 发送数据：

while(true) {
    printf("input name: ");
    scanf("%s", name);
    printf("\nHello, %s\n\n", name);
}

0x02 ADC 和温度传感器

RP2040 中有一个 ADC，它有五个输入源：GPIO26~29，以及内置的温度传感器。ADC 采样率为 500 kS/s（事实上可以超频，见这篇文章），分辨率为 12 bit，带一个 FIFO（能容纳 4 条结果）。片内只有一个 ADC，不过我们可以轮询读取各个输入源。

写个代码测试一下 GPIO26 ADC。笔者手头没有信号发生器，所以直接测悬空引脚的电压，测量过程中用手按压引脚。代码：

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/adc.h"
#include <cstdio>

int main() {
    stdio_init_all();

    adc_init();

    // 取消 GPIO26 上的其他功能，也取消数字输入功能
    adc_gpio_init(26);

    // 0~3: GPIO26~29; 4: 内置温度传感器
    adc_select_input(0);

    while(true) {
        auto res = adc_read();
        printf("res = %d\n", res);
        sleep_ms(100);
    }
}

如果要用 ADC 测量芯片温度，则需要将输入源设为 4，并启用温度传感器。温度值可以通过文档中给出的公式计算。代码如下：

int main() {
    stdio_init_all();
    adc_init();

    // 使能温度传感器
    adc_set_temp_sensor_enabled(true);
    adc_select_input(4);

    while(true) {
        auto res = adc_read();
        auto t = 27 - (1.0 * res / (1<<12) * 3.3 - 0.706) / 0.001721;
        printf("T = %2.04f ℃\n", t);
        sleep_ms(100);
    }
}

0x03 PWM

前一篇文章，我们已经软件实现了 PWM。然而，由软件来做这件事并不可靠，因为 cpu 可能会突然跑去处理中断；如果使用了 RTOS，还会切换任务。使用 PWM 外设则不存在这些问题，它不占用 cpu 时间。

RP2040 有 8 个 PWM slice，每个 slice 可以驱动两条输出信号，也能测量输入信号的频率或占空比。详细的机制可以参考 datasheet。简而言之，普通情况下，PWM 有一个计数器，随着时钟周期而增加；当计数器低于一个预设的 level 时，输出高电平，否则输出低电平。可参考文档中的图：

每个 GPIO 都可以被 PWM 驱动。PWM channel 的分配表如下：

现在我们试试利用 PWM 来快速翻转 GPIO6，从表中可知它对应的 PWM channel 是 3A。代码如下：

// GPIO6: channel 3A
gpio_set_function(6, GPIO_FUNC_PWM);

// 计数器范围：[0, 1]
pwm_set_wrap(3, 1);
// cnt < 1 时，输出高电平，否则输出低电平
pwm_set_chan_level(3, PWM_CHAN_A, 1);

// 使能
pwm_set_enabled(3, true);

使用 1GHz 逻辑分析仪（阈值电压 1.7V）可以看到，输出的波形周期为 16ns，每次高电平/低电平持续时长是 8ns。

RP2040 的默认主频是 125MHz，时钟周期是 8ns，所以 PWM 实际上在每个时钟周期都完成了一次翻转。这比我们软件实现要可靠许多。

现在，利用 PWM 外设来重新实现上一篇文章做过的呼吸灯。要调整占空比为 $x\%$，只需要将计数器范围设为 $[0, 100]$，将 level 设为 $x$。代码如下：

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pwm.h"
#include "pico/stdlib.h"

// GPIO25 是 LED，GPIO6 接到逻辑分析仪
static const uint pins[] = {6, 25};

// 通过 PWM 外设控制亮度
void set_bright(uint bright) {
    for(auto pin: pins) {
        auto slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(pin);
        auto chan = pwm_gpio_to_channel(pin);
        pwm_set_chan_level(slice_num, chan, bright);
    }
}

void keep_bright_for_10ms(uint bright) {
    auto stop_time = make_timeout_time_ms(10);

    while(!time_reached(stop_time)) {
        set_bright(bright);
    }
}

int main() {
    for(auto pin: pins) {
        auto slice_num = pwm_gpio_to_slice_num(pin);
        auto chan = pwm_gpio_to_channel(pin);
        gpio_set_function(pin, GPIO_FUNC_PWM);
        pwm_set_wrap(slice_num, 100);
        pwm_set_chan_level(slice_num, chan, 0);
        pwm_set_enabled(slice_num, true);
    }

    while(true) {
        // 每 10ms 改变一次亮度级别
        for(uint b=1; b<=99; b++) {
            keep_bright_for_10ms(b);
        }
        for(uint b=99; b>=1; b--) {
            keep_bright_for_10ms(b);
        }
    }
}

这份代码输出的波形，实测周期是 808ns，比前一篇文章的 100us 细得多，且 PWM 外设不会像 sleep_us() 那样阻塞 cpu，现在配置完之后就可以去干别的活。

0x04 时钟

RP2040 可以将自己的时钟信号输出到 GPIO，以便为其他设备提供时钟信号。下面的代码把用于 usb 的 48MHz 信号输出到 GPIO21：

clock_gpio_init(21, CLOCKS_CLK_GPOUT0_CTRL_AUXSRC_VALUE_CLK_USB, 1);

这个方法也可以用于输出 125MHz 的主时钟、12MHz 的晶振等，支持分频。

0x05 I2C

现在来讨论 I2C 外设。笔者用一块 0.96 英寸 OLED 屏作为实验对象，这块屏幕使用 SSD1315 芯片，分辨率是 128x64。先跑一遍 pico-examples 里面的 I2C 总线扫描代码：

int main() {
    // Enable UART so we can print status output
    stdio_init_all();

    // This example will use I2C0 on the default SDA and SCL pins (GP4, GP5 on a Pico)
    i2c_init(i2c_default, 100 * 1000);
    gpio_set_function(PICO_DEFAULT_I2C_SDA_PIN, GPIO_FUNC_I2C);
    gpio_set_function(PICO_DEFAULT_I2C_SCL_PIN, GPIO_FUNC_I2C);
    gpio_pull_up(PICO_DEFAULT_I2C_SDA_PIN);
    gpio_pull_up(PICO_DEFAULT_I2C_SCL_PIN);
    // Make the I2C pins available to picotool
    bi_decl(bi_2pins_with_func(PICO_DEFAULT_I2C_SDA_PIN, PICO_DEFAULT_I2C_SCL_PIN, GPIO_FUNC_I2C));

    printf("\nI2C Bus Scan\n");
    printf("   0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  A  B  C  D  E  F\n");

    for (int addr = 0; addr < (1 << 7); ++addr) {
        if (addr % 16 == 0) {
            printf("%02x ", addr);
        }

        // Perform a 1-byte dummy read from the probe address. If a slave
        // acknowledges this address, the function returns the number of bytes
        // transferred. If the address byte is ignored, the function returns
        // -1.

        // Skip over any reserved addresses.
        int ret;
        uint8_t rxdata;
        if (reserved_addr(addr))
            ret = PICO_ERROR_GENERIC;
        else
            ret = i2c_read_blocking(i2c_default, addr, &rxdata, 1, false);

        printf(ret < 0 ? "." : "@");
        printf(addr % 16 == 15 ? "\n" : "  ");
    }
    printf("Done.\n");

    while(true) {
        tight_loop_contents();
    }
}

I2C 协议使用两条线（时钟 SCL、数据 SDA），两条线都上拉。通讯采用请求 - 响应模式，具体如下：

1. 主机拉低 SDA，随后拉低 SCL，表示通讯开始（这是 start 信号）
2. 传递若干个 frame（注意不是边沿触发，而是电平触发，在 SCL 从上升到下降的全程间，SDA 都需要保持不变）
3. 主机拉高 SCL，随后拉高 SDA（这是 stop 信号）

每次通讯，首先发一个 address frame，然后是若干个 data frame。每个 frame 都是 8bit，接收完成之后需要拉低 SDA 表示 ACK。address frame 包含了 7bit 的从机地址和 1bit 的 R/W 标签，1 表示读取，0 表示写入。因此，要扫描 I2C 总线上的 slave 设备，只需要对每个地址发送一个读取请求，看看有无 ACK 信号。

查阅 SSD1315 手册，发现我们屏幕的 I2C 地址是 0b0111100。试试从这个设备读取 2 字节：

i2c_read_blocking(i2c_default, slave_addr, rxdata, 2, false);

可见 RP2040 的 I2C 外设似乎不会给最后一个 frame 回复 ACK 信号。发送以下代码可以点亮屏幕：

const uint8_t cmd_init[] = {
    0xae,0x00,0x10,0x40,0x81,0xcf,0xa1,0xc8,0xa6,0xa8,
    0x3f,0xd3,0x00,0xd5,0x80,0xd9,0xf1,0xda,0x12,0xdb,
    0x40,0x20,0x00,0x8d,0x14,0xa4,0xa6,0xaf
};
        
i2c_write_blocking(i2c_default, slave_addr, cmd_init, sizeof(cmd_init), false);