Nordic nRF54L15 GPIO深度解析

以下文章来源于Nordic半导体，作者Smile Jiang

nRF54L15 的GPIO口分配

APB总线用于低速且低功耗的外围设备，nRF54L15根据APB总线的标号，对外设进行命名且对GPIO口进行端口分配。AMBIX为AMBA总线互联通道。

AMBIX0/APB00:

GPIO_P2:P2.00~P2.10

APB/AHB外设如：CCM00，UARTE00，SPIM00，SPIS00...

AMBIX1/APB10:

GPIO：None

外设如：RADIO，TIMER10，PPIB10...

AMBIX2/APB20:

GPIO_P1: P1.00~P1.14(包括P1.00/P1.01 XL1 XL2)

外设如：GPIOTE20,UARTE20～22，TWIM20～22，GRTC，SAADC，PWM20～22...

在nRF54L15DK原理图上 : UART1 即APB20上的 UART20

AMBIX3/APB30:

GPIO_P0: P0.00~P0.04

外设如：GPIOTE30,UARTE30，RESET，WDT30～31...

有些外设对GPIO的引脚选择有要求，如：

外设管脚的默认配置:
ncs/zephyr/boards/nordic/nrf54l15dk/nrf54l15dk_nrf54l15-pinctrl.dtsi

用户可以通过在app工程中添加XXX.overlay文件对外设管脚进行重新分配。比如：

编译完成后可以通过查看生成的zephyr.dts确认.overlay的文件是否生效，并检查GPIO的管脚配置是否正确。比如button工程编译后最终zephyr.dts所在目录：
ncs/zephyr/samples/basic/button/build/button/zephyr/zephyr.dts

如何从devicetree中获取GPIO并将其映射到软件中？

可参考文章:

https://www.cnblogs.com/jayant97/articles/18141263

https://github.com/aiminhua/ncs_samples/blob/master/ble_comprehensive/src/io_int_thread.c

我们从两个简单的参考例子开始：

ncs/zephyr/samples/basic/blinky/src/main.c

ncs/zephyr/samples/basic/button/src/main.c

2.1 devicetree 中的GPIO描述

devicetree 中的GPIO描述

gpio0: gpio@10a000 { 
 compatible ="nordic,nrf-gpio";
 gpio-controller;
 reg = < 0x10a0000x300 >;
#gpio-cells = < 0x2 >;
 ngpios = < 0x5 >;
 status ="okay";
 port = < 0x0 >;
 gpiote-instance = < &gpiote30 >;
};
gpio1: gpio@d8200 {
 compatible ="nordic,nrf-gpio";
 gpio-controller;
 reg = < 0xd82000x300 >;
#gpio-cells = < 0x2 >;
 ngpios = < 0x10 >;
 status ="okay";
 port = < 0x1 >;
 gpiote-instance = < &gpiote20 >;
 phandle = < 0xd >;
};
gpio2: gpio@50400 {
 ...
};

参考文件：

ncs/zephyr/dts/bindings/gpio/nordic,nrf-gpio.yaml

ncs/zephyr/include/zephyr/dt-bindings/gpio/gpio.h

ncs/zephyr/include/zephyr/drivers/gpio.h

a.节点名：gpio@10a000；gpio@d8200；gpio@d8200
b.标签：gpio0；gpio1；gpio2
c.gpio-controller： 声明具有域控制器功能
d.reg: 外设在总线上的地址分布，需跟节点名对应
e.phandle:一个节点node1可以通过phandle被另一节点node2引用作为属性值
f.gpiote-instance:指向外部gpiote节点的phandle属性，表明可使用该GPIO port的gpiote实体
g.ngpios：所在GPIO Port(槽位)中最大可用GPIO口的数目。如对于nrf54L15:
  gpio0（port0）:  ngpios = < 0xb >;  => P0.00～P0.10
  gpio1（port1）:  ngpios = < 0x10 >; =>P1.00～P1.15
  gpio2（port2）:  ngpios = < 0x5 >;  =>P2.00～P2.04
h.gpio-reserved-ranges:为系统保留的gpio口，用户不可以直接使用.比如：
 "gpio-reserved-ranges = [5,3]": 表明GPIO pin脚偏移为5,6,7的IO口为系统保留
 "gpio-reserved-ranges = <0 2>,<10 1>": 表明GPIO pin脚偏移为0, 1,10的IO口为系统保留, 即使定义了ngpios = <0xb>
i.#gpio-cells:gpio节点作为controller时的specifier参数数量。比如#gpio-cells = < 0x2 >; 意味着在其他节点中引用gpio0控制器时，specifier参数数量为2，如：
  led0: led_0 {
    gpios = < &gpio2 0x90x0 >;
    label ="Green LED 0";
  };
  &gpio2：指gpio2控制器， 对应物理上的gpio port2
  0x9: 指pin脚编号是0x9,即P2.09
  0x0: devicetree中定义的GPIO口配置参数，在软件中有时被描述为flag(s)，0x0等价于GPIO_ACTIVE_HIGH |GPIO_PUSH_PULL |GPIO_LINE_OPEN_SOURCE

补充说明：

GPIO_ACTIVE_HIGH: GPIO口高有效（有效指逻辑1）

GPIO_PUSH_PULL： 配置GPIO输出为推挽模式

PIO_LINE_OPEN_SOURCE：单端开源模式（线或）

2.2 代码中如何让获取&配置GPIO？

代码中如何让获取&配置GPIO？

gpio及其配置更多时候是作为某个节点的属性出现，如button节点的GPIO属性，led节点的gpio属性；spi的cs-gpio属性等等

spi@abcd0001 {
  cs-gpios = <&gpio0 1 GPIO_ACTIVE_LOW>;
  spidev: spi-device@0 { ... };
};
buttons {
  compatible ="gpio-keys";
  button0: button_0{
  gpios = < &gpio1 0xd0x11 >;
  label ="Push button 0";
  zephyr,code = < 0xb >;
};


button1: button_1 { ...};
nrf52840_reset: gpio-reset{
  compatible ="nordic,nrf9160dk-nrf52840-reset";
  status ="disabled";
  gpios = < &interface_to_nrf52840 0x90x1 >;
 };
aliases {
  led00= &led0;
  pwm-led0= &pwm_led1;
  sw0= &button0;
};

spi@abcd0001, buttons, button_0, button_1, gpio-reset为devicetree中的节点名(node name)

button0,button1,nrf52840_reset,为节点的标签(LABEL)

led00, pwm-led0,sw0为节点的别名(ALIAS)

对于GPIO的应用，也可以系统预留给用户自定义的节点(zephyr,user)中将其定义为属性：

/{
  zephyr,user{
   my-gpios = <&gpio0 12    (GPIO_ACTIVE_HIGH|GPIO_PUSH_PULL|GPIO_PULL_DOWN)>;
  };
};

2.2.1.获取节点描述符node specifier，
即node_id

参考文件：
ncs/zephyr/doc/build/dts/api-usage.rst

通过标签获取：DT_NODELABEL()

通过别名获取:
DT_ALIAS(sw0)；DT_ALIAS(led00) //sw0，led00分别为button0,led0的别名

通过绝对路径获取：
DT_PATH(zephyr_user)；DT_PATH(leds)；DT_PATH(soc,gpio_50400)

通过实体编号获取：DT_INST()

通过被选取的节点chosen node获取：
DT_CHOSEN()

通过父节点/子节点获取：
DT_PARENT(); DT_CHILD() ;

通过node2及其phandle属性获取node1的节点描述符: node1=DT_PHANDLE(node2, prop)

- DT_PATH(zephyr_user, i2c_40002000)
- DT_NODELABEL(i2c1)
- DT_ALIAS(sensor_controller)
- DT_INST(x, vnd_soc_i2c)

2.2.2通过节点将gpio配置（属性）读取至特定结构体中

gpio_dt_sepc my_gpio=GPIO_DT_SPEC_GET(DT_PATH(zephyr_user), my_gpios)
gpio_dt_specmyled=GPIO_DT_SPEC_GET(DT_ALIAS(led0), gpios);//节点id,属性名
gpio_dt_specmybutton=GPIO_DT_SPEC_GET_OR(DT_ALIAS(sw0), gpios,{0});// 节点id,属性名,默认值

以上是gpio-button作为特殊设备的直接获取方式，对于一般的外设如uart/spi等，可以用DEVICE_DT_GET()获取设备。

2.2.3.重新配置gpio参数

GPIO的默认配置来源于devicetree，我们可以用以下方式覆盖默认配置：

参考文档：
2.8.0/zephyr/include/zephyr/drivers/gpio.h

a.配置输入输出：

gpio_pin_configure_dt(&mybutton, GPIO_INPUT);
gpio_pin_configure_dt(&myled, GPIO_OUTPUT);

b.设置/获取IO口状态

gpio_pin_toggle_dt(&myled);
gpio_pin_get_dt(&mybutton);
gpio_pin_set_dt(&myled,1);

c.配置中断

gpio_pin_interrupt_configure_dt()
gpio_init_callback(&button_cb_data, button_pressed, BIT(button.pin));
gpio_add_callback_dt() => gpio_add_callback(spec->port, callback);
gpio_add_callback(button.port, &button_cb_data);

d.其他配置

gpio_remove_callback_dt()
gpio_get_pending_int()

GPIO & GPIOTE Event

gpio作为通用输入输出端口，用来对IO口进行读写和清空等操作，能通过配置+检测管脚的电平产生中断，也可以被其他外设配置和使用。GPIO模块的重要功能：

sense：系统进入sleep模式后（也称system OFF模式），只能通过IO口等特殊唤醒源来唤醒并产生复位。

Detect：sense除了可以唤醒sleep模式，还可以用来产生中断，即detect功能。DETECT类似一个中断标志位，是每个端口所有IO口进行或操作的结果，所以DETECT信号状态会受同一port下所有IO口的影响，只要有一个外部IO口有效，那么DETECT信号就一直为true，只有所有IO口状态都clear时，DETECT信号才会重新变成低。

ncs底层提供了将GPIO配置成一个特殊gpio device（如button,led) ），以便而=对其进行中断配置,通过gpio_dt_spec获取其GPIO配置。

gpiote则是具有task/event 的外设，作用就是让每个GPIO也具有传统意义上的task和event的功能，gpiote外设使用GPIO后，将会覆盖对GPIO直接的操作和配置。根据GPIO的特性，我们可以将GPIOTE的事件配置为PORT EVENT 和Pin EVENT。

PORT EVNET 是基于GPIO DETECT原理，是GPIO的sense特性，当所有外设和CPU都处于空闲状态时，此功能可用于在System ON模式下将CPU从WFI或WFE类型睡眠中唤醒，这意味着在System ON模式下功耗最低.但可能检测不到宽度仅为1us的脉冲（同一port上的任意pin脚都有可能使DETECT信号为高，产生PORT EVENT,，之后第二个pin上即便有SETECT信号变化也不再产生event，再次使用需要清空所有DETECT）;

Pin EVENT是基于event中断（电流相对于Port Event高），是将每个GPIO口的沿变化配置到不同的GPIOTE通道，各自触发相应的IN EVENT，具有更高的事件精度。

GPIOTE输入中断，既可以是Pin Event，也可以用Port Event。FOR NRF54L15:

• GPIOTE20: 8 个channels 和 2 种中断, 使用 GPIO port P1 • GPIOTE30: 4 个channels 和 2 种中断, 使用 GPIO port P0 • 安全的GPIOTE通道可以配置安全和非安全的GPIO引脚 • 非安全GPIOTE通道只能配置非安全GPIO引脚

3.1 GPIOTE Pin Event

GPIOTE Pin Event

ncs/zephyr/samples/basic/button展示的是GPIO Pin Event的配置方法

注意，不推荐拿这个代码去处理button。因为这个是最底层的GPIO中断，并没有按键消抖功能，有button的应用需求可以用lbs里的button模块来做，一般只需要简单的引脚替换和硬件上细微改动。

3.2 GPIOTE PORT EVENT

GPIOTE PORT EVENT

Port Event的响应速度稍慢，但功耗会低15uA。如果要使用更低功耗的Port Event，可以作如下择一选择

3.2.1.在DeviceTree Overlay文件中，在对应的GPIO Port的节点中，设置一个`sense-edge-mask`属性，把所有需要使用Port Event的引脚的对应bit设为1即可，例如：

如果是nRF54L15中button0和button1分别使用P1.13（0xd）和P1.09（0x9）,可以在app.overlay中加如下配置将这两个引脚配置为port event,其余gpio button为Pin EVENT:

&gpio1 {
  sense-edge-mask = <(BIT(13)|BIT(9))>;
};

二进制展开为0010 0010 0000 0000,十六进制为0x2200，因此也可以表达为：

&gpio1 {
  sense-edge-mask = <0x2200>;
};

*BIT(13)的意思就是`0x00000001<<13`。

3.2.2.参考lbs的例程中app_button的用法对GPIO口进行配置

app_button/lbs检测button信号分为两个阶段

a.扫描模式

Module starts in scanning mode and will switch to callback mode if no button is pressed.

模块以扫描模式启动，如果扫描模式期间没约发现button GPIO口电平变化（即按下按钮），软件将切换到事件中断（回调）模式。

b.事件中断模式，

app_button进入事件中断模式后，功耗也会随之降下来，并低于15uA。

参考app_button/lbs的配置，即使我们不修改devicetree, 也能将GPIO button功能模块配置成port event状态,如：

gpio_flags_tflags = button.dt_flags & GPIO_ACTIVE_LOW ? GPIO_PULL_UP : GPIO_PULL_DOWN;
ret= gpio_pin_configure_dt(&button, GPIO_INPUT | flags);
ret= gpio_pin_interrupt_configure_dt(&button,GPIO_INT_LEVEL_ACTIVE);

3.3

nRF54L15 GPIO休眠功耗

（Power Monitor for nRF54L15 GPIO event Wake UP）

3.3.1.Pin Event ppk2波形图

3.3.2.Port Event ppk2波形图

3.3.3.System OFF ppk2波形图

nRF54L15 进入system off前需要关闭不使用的RAM

#ifdefCONFIG_SOC_NRF54L15_CPUAPP
/* Disable RAM retention in System OFF as it is not utilized by this sample. */
uint32_tram_sections =8;
nrf_memconf_ramblock_ret_mask_enable_set(NRF_MEMCONF,0,BIT_MASK(ram_sections),false);
nrf_memconf_ramblock_ret2_mask_enable_set(NRF_MEMCONF,0, BIT_MASK(ram_sections),false);
#endif
sys_poweroff();

将特殊GPIOs 配置为通用 GPIOs

4.1

NFC pin 作为通用 GPIO

在NCSv2.8.0，在device tree overlay中修改UICR配置：

&uicr {
   nfct-pins-as-gpios;
};

添加后，系统启动时会自动擦写、配置UICR。

4.2

RESET PIN 作为通用 GPIO

对于nRF54L15，nRESET是Pin Reset专用pin. 查datasheet上可知，芯片并未为其分配作为通用GPIO口的Port和Pin number，nrf5340也是如此。

对于nrf52系列，可以通过ncs代码将nReset配置为通用GPIO口。其中：

nRF52805/52810/52811/52832对应GPIO口P0.21

nRF52820/52833/52840对应GPIO口P0.18

拿nrf52840 nreset举例，PSELRESET[0]和PSELREET[1]的值都是PIN=18，PORT=0，CONNECT=0的情况下，P0.18才会作为Reset引脚使用。否则，P0.18作为普通GPIO使用。Reset信号无法映射到其他GPIO。将nrf52的NReset pin配置为通用GPIO只需在devicetree中加如下代码：

&uicr{
    /delete-property/gpio-as-nreset;
};

VS Code默认的烧录（west flash 烧录）会将pin reset打开导致程序里面删掉的UICR pin reset失效（相当于写了值到UICR）

4.3

低频晶振引脚XL1 XL2
作为通用 GPIO

4.3.1 对于 nrf52840/nrf53，P0.00/P0.01为XL1 XL2

a. CONFIG_CLOCK_CONTROL_NRF_K32SRC_RC=y

b.devicetree 修改

&gpio1 {
  gpio-reserved-ranges = < 0x60x1 >, < 0x80x3 >, < 0x110x7 >;
 /*去除XL1,XL2描述，可选项*/
  gpio-line-names ="AREF","A0","A1","RTS","TXD","CTS","RXD","NFC1","NFC2","BUTTON1","BUTTON2","LED1","LED2","LED3","LED4","QSPI CS","RESET","QSPI CLK","QSPI DIO0","QSPI DIO1","QSPI DIO2","QSPI DIO3","BUTTON3","BUTTON4","SDA","SCL","A2","A3","A4","A5";
};

4.3.2 对于nRF54L15，P1.00/P1.01 为XL1 XL2

CONFIG_CLOCK_CONTROL_NRF_K32SRC_RC=y

其他外设对GPIO的复用

A. Nordic nRF54L15给外设配置GPIO时，原则上是使用自己域内的IO口，同时需参考datasheet和nRF54L15DK的配置。外设的gpio配置可以自动覆盖（Override）GPIO的原来的输入输出方向、输出值等配置。

B.peripheral 域(APB10,APB20,APB30)内的串行数据接口外设可以自由使用自己域内通用GPIO口

C. Port2（APB00）上的dedicated pins可以被peripheral 域内的串行数据接口如SPIM/SPIS/UARTE使用,但是仅限于P2内的dedicated Pin（参考Pin Assignment Table）,比如：

a.Peripheral域内的SPI PSEL.MOSI可以使用P2 MOSI，但不能使用其他P2的其他GPIO

b.由于P2上没有TWI 的dedicated pin，所以periperal 区域的TWI不能跨域使用P2 GPIO

D. Nordic54L给外设配置GPIO时，外设时钟有专用GPIO口：

下图中红色GPIO口可用于时钟。