使用arduino操作RP2040 PIO之简要笔记

前情提要：

RP2040是一个双核133MHz的ARM M0+微处理器，具有264k RAM，支持最大16M外置ROM。 

最吸引人的一点是它还具有可编程IO，在较小的晶圆面积下做出了可编程的效果，使得通用性和DIY性更强。

PIO结构&必要知识介绍：

RP2040具有两个PIO块，每个PIO块有四个状态机。通过测试程序可知，如果不设置分频则状态机每步指令都可以运行在133MHz下，速度非常快。

每个PIO块具有32步程序空间，PIO内的四个状态机共享32步的程序空间。状态机初始化时需要指定程序的起始和结束地址。如果觉得空间不够用，也可以通过FIFO传输程序给状态机运行。

每个状态机用OSR和ISR寄存器对接了两个FIFO，分别是TX和RX，使用pull指令将会从TXFIFO中拉取数据到OSR寄存器，使用push则会把ISR寄存器中数据压入RXFIFO中。（这里的TX和RX是相对于CPU的）FIFO可以通过CPU或者DMA读写。

状态机对接IO使用了任意映射的方式，首先指定一个映射IO号，例如15，再指定映射数量例如5，则15-19这5个IO都会被映射到状态机。

状态机映射IO时有四种映射，包括IN、OUT、SET和SIDE SET指令对应的IO，它们四个可以映射到不同的IO。

状态机还可以发出和等待中断。

PIO可以执行如下九种指令：

其中Delay/side-set 这5位是很有用的。

sideset的作用：

Delay/side-set共用了5位的空间，当初始化状态机时需要设定SIDESET_COUNT和SIDE_EN，SIDESET_COUNT决定了sideset需要占用5位中最高的多少位，SIDE_EN决定了指令中sideset的最高位是否用于使能sideset操作。

例如sideset指令映射到了pin15。设初始化为sideset count=3，并且最高位用于使能。

则当某条指令的bit12=1,bit11=1,bit10=0，在执行这条指令时，状态机会同时设置io16=1(bit11) , io15=0(bit10)。如果bit12=0则状态机不操作IO。

这使得状态机可以在执行指令的同时操作IO，实现一步程序做两步的事情，减少空间占用，并且其指令频率保持不变。这意味着133M的时钟下PIO操作IO比CPU更快。还有一种情况是当需要编写SPI这种协议时，sideset可以使得在SDA移出的同时SCLK变化，达到产生精准时序的目的。

Delay的作用：

Delay占用的是这5位中的低几位，当设置Delay时，在状态机执行指令后会等待几个周期，这对于程序空间紧缺的状态机非常重要，可以实现一步程序同时做到延时，不需要浪费空间写延时函数（如果所需延时较短的话）。状态机也可以设置时钟分频来改变指令周期。

JMP指令：当满足Condition（条件）时，跳转到指定地址（0-31），条件可以是always，或者 !X，!Y，X--，Y--，X!=Y，input pin，OSR非空这几个。

OUT指令：将OSR寄存器移出指定位数到指定寄存器中，空位补零。bitcount决定了移出多少位，Destination决定要移出到哪里，可以是output pin或者X，Y等。

如果Destination是EXEC寄存器则下一步将立即执行移到EXEC中的指令。如果设定了OSR自动pull，则移出指令到EXEC后，OSR将从TXFIFO中自动拉取下一个数据，搭配DMA应当可以实现自动运行一系列程序，但每条指令要多花费一个周期来运行OUT。

MOV指令：MOV可以将一个寄存器中数据移到另一个里面，当目标寄存器是EXEC时就会执行指令。当目标是pin将使用out指令映射到的引脚，当来源寄存器是pin则将使用in指令映射到的引脚。MOV指令有两位op操作，可以将原寄存器进行补码或取反后再移动到目标寄存器。

如何将自己编写的汇编内容运行搭配PIO上：

对于Arduino及PlatformIO里面的pico开发板，库中已经包含有了pico-sdk，其中有一个pio.h文件，直接包含它即可使用操作PIO的基本函数。

对于其他C++编程的玩家，则需要自己移植一份pico-sdk。

这里我编写了个简单的PIO操作程序，封装了常用PIO操作，读者直接调用即可。

首先是myPIO_program.h

然后是myPIO_program.cpp

最后是main.cpp中的点灯测试代码（必须运行在有LED的PICO上）：

编译、烧录，看到灯亮则说明PIO运行成功。

根据rp2040-datasheet中对9种指令的介绍，使用encoder.put_code()函数一个个放入程序指令即可，不能超过32步。

pio_pin_program_init函数是用来设定状态机初始化参数的，包括sideset，IO映射，OSR移位顺序和是否自动拉取等等。如果闲下来了可以单独讲一下。

随手小记，如有纰漏还请指正