esp32系列(3)：GPIO信号传输（以简单GPIO输入输出、ADC、DAC为例）

ESP32学习记录：

1. esp32系列(1)：Hello world， 初识esp32 搭建VScode下的esp32开发环境，hello esp32。
2. esp32系列(2)：工程结构学习，从新建工程到烧写程序 熟悉工程的文件结构，各文件的含义，编译流程。以及VScode的具体操作。
3. esp32系列(3)：GPIOGPIO信号传输（以简单GPIO输入输出、ADC、DAC为例） 学习ESP32 GPIO与外设的几种输入输出方式，通过两个简单的例子学习简单GPIO与RTC GPIO输入输出的代码实现。

1 ESP32 GPIO基本概念

ESP32 芯片有 34 个物理 GPIO pad（GPIO PAD号：0­-19, 21-­23, 25­-27, 32­-39。其中 GPIO 34­-39 仅用作输入管脚，其他的既可以作为输入又可以作为输出管脚。）。每个 pad 都可用作一个通用 IO，或连接一个内部的外设信号。

IO_MUX、RTC IO_MUX 和 GPIO 交换矩阵用于将信号从外设传输至 GPIO pad。这些模块共同组成了芯片的 IO 控 制。

1. IO_MUX 选择GPIO pad配置为GPIO（与交换矩阵连接）或者直连（更好的高频数字特性，用于高速信号）
2. GPIO 交换矩阵 进行【外设输入输出】与【pad信号】之间的全交换。其实就是完pad的输入与输出信号的选择。
3. RTC IO_MUX 控制GPIO pad的低功耗和模拟功能。

1.1 通过 GPIO 交换矩阵的外设输入

34个GPIO（X: 0-19，21-23，25-27，32-39） 获取 外设输入信号的索引号（Y: 0-18，23-36，39-58，61-90，95-124，140-155，164-181，190-195，198-206）

重点：把某个外设信号 Y 绑定到某个 GPIO pad X 的配置过程为：

1. 在 GPIO 交换矩阵中配置外设信号Y的 GPIO_FUNCy_IN_SEL_CFG 寄存器：
   • 设置 GPIO_FUNCy_IN_SEL 字段为要读取的 GPIO pad X 的值。清零其他 GPIO pad 的其他字段。
2. 在 GPIO 交换矩阵中配置 GPIO pad X 的 GPIO_FUNCx_OUT_SEL_CFG 寄存器、清零 GPIO_ENABLE_DATA[x] 字段：
   • 要强制管脚的输出状态始终由 GPIO_ENABLE_DATA[x] 字段决定，则将 GPIO_FUNCx_OUT_SEL_CFG 寄存器的 GPIO_FUNCx_OEN_SEL 字段位置为 1。
   • GPIO_ENABLE_DATA[x] 字段在 GPIO_ENABLE_REG (GPIOs 0-31) 或 GPIO_ENABLE1_REG (GPIOs 32-39) 中，清零此位可以关闭 GPIO pad 的输出。
3. 配置 IO_MUX 寄存器来选择 GPIO 交换矩阵。配置 GPIO pad X 的 IO_MUX_x_REG 的过程如下：
   • 设置功能字段 (MCU_SEL) 为 GPIO X 的 IO_MUX 功能（所有管脚的 Function 2，数值为 2）。
   • 置位 FUN_IE 使能输入。
   • 置位或清零 FUN_WPU 和 FUN_WPD 位，使能或关闭内部上拉/下拉电阻器。 说明：

• 同一个输入 pad 上可以同时绑定多个内部 input_signals。
• 置位 GPIO_FUNCy_IN_INV_SEL 可以把输入的信号取反。
• 无需将输入信号绑定到一个 pad 也可以使外设读取恒低或恒高电平的输入值。实现方式为选择特定的 GPIO_FUNCy_IN_SEL 输入值而不是一个 GPIO 序号：
  • 当 GPIO_FUNCy_IN_SEL 是 0x30 时， input_signal_x 始终为 0。
  • 当 GPIO_FUNCy_IN_SEL 是 0x38 时， input_signal_x 始终为 1。 例子：把 RMT 外设通道 0 的输入信号 RMT_SIG_IN0_IDX（信号索引号 83）绑定到 GPIO15，请按照以下步骤操作（请注意 GPIO15 也叫做 MTDO 管脚）：

1. 将 GPIO_FUNC83_IN_SEL_CFG 寄存器的 GPIO_FUNC83_IN_SEL 字段设置为 15。
2. 因为此信号是纯输入信号，置位 GPIO_FUNC15_OUT_SEL_CFG_REG 寄存器中的 GPIO_FUNC15_OEN_SEL 位。
3. 清零 GPIO_ENABLE_REG 寄存器的 bit 15（GPIO_ENABLE_DATA[15] 字段）。
4. 配置 IO_MUX_GPIO15 寄存器的 MCU_SEL 字段为 2 (GPIO function)，同时置位 FUN_IE（使能输入模式）。

简单的GOIO输入：

• GPIO_IN_REG/GPIO_IN1_REG 寄存器存储着每一个 GPIO pad 的输入值。
• 任意 GPIO pin 的输入值都可以随时读取而无需为某一个外设信号配置 GPIO 交换矩阵。但是需要为 pad X 的 IO_MUX_x_REG 寄存器配置 FUN_IE 位以使能输入。

1.2 通过 GPIO 交换矩阵的外设输出

28 个 GPIO (X: 0-19, 21-23, 25-27, 32-33) 获取 外设信号(Y: 0-18， 23-37， 61-121，140-215， 224-228)

重点：输出外设信号 Y 到某一 GPIO pad X 的步骤为：

1. 在 GPIO 交换矩阵里配置 GPIO X 的 GPIO_FUNCx_OUT_SEL_CFG 寄存器和 GPIO_ENABLE_DATA[x] 字段：
   • 设置 GPIO_FUNCx_OUT_SEL_CFG 寄存器的 GPIO_FUNCx_OUT_SEL 字段为外设输出信号 Y 的索引号 (Y)。
   • 要将信号强制使能为输出模式，将 GPIO pad X 的 GPIO_FUNCx_OUT_SEL_CFG 寄存器的GPIO_FUNCx_OEN_SEL 置位，并且将 GPIO_ENABLE_REG 寄存器的 GPIO_ENABLE_DATA[x] 字段置位。或者，将 GPIO_FUNCx_OEN_SEL 清零，此时输出使能信号由内部逻辑功能决定。
   • GPIO_ENABLE_DATA[x] 字段在 GPIO_ENABLE_REG (GPIOs 0-31) 或 GPIO_ENABLE1_REG (GPIOs32-39) 中，清零此位可以关闭 GPIO pad 的输出。
2. 要选择以开漏方式输出，可以设置 GPIO X 的 GPIO_PINx 寄存器中的 GPIO_PINx_PAD_DRIVER 位。
3. 配置 IO_MUX 寄存器来选择 GPIO 交换矩阵。配置 GPIO pad X 的 IO_MUX_x_REG 的过程如下：
   • 设置功能字段 (MCU_SEL) 为 GPIO X 的 IO_MUX 功能（所有管脚的 Function 2，数值为 2）。
   • 设置 FUN_DRV 字段为特定的输出强度值 (0-3)，值越大，输出驱动能力越强。
   • 在开漏模式下，通过置位/清零 FUN_WPU 和 FUN_WPD 使能或关闭上拉/下拉电阻器。

说明：

• 某一个外设的输出信号可以同时从多个 pad 输出。
• 置位 GPIO_FUNCx_OUT_INV_SEL 可以把输出的信号取反。

简单的GOIO输出：

• GPIO 交换矩阵也可以用于简单 GPIO 输出。设置 GPIO_OUT_DATA 寄存器中某一位的值可以写入对应的 GPIO pad。
• 为实现某一 pad 的 GPIO 输出，设置 GPIO 交换矩阵 GPIO_FUNCx_OUT_SEL 寄存器为特定的外设索引值 256（0x100）。

1.3 直接I/O

从之前的总体输入输出结构框图可以看出，IO_MUX还有一些直接I/O信号。快速信号如以太网、 SDIO、 SPI、 JTAG、 UART 等会旁路 GPIO 交换矩阵以实现更好的高频数字特性。

1.4 RTC IO_MUX 输入输出

18 个 GPIO 管脚具有低功耗（低功耗 RTC）性能和模拟功能，这些功能不经过IO_MUX 和 GPIO 交换矩阵，而是使用 RTC_MUX 将 I/O 指向 RTC 子系统。

当这些管脚被配置为 RTC GPIO 管脚，作为输出管脚时仍然能够在芯片处于 Deep-sleep 睡眠模式下保持输出 电平值或者作为输入管脚使用时可以将芯片从 Deep-sleep 中唤醒。

2 代码实现 2.1 简单 GPIO 输入输出实现

实际的实现，ESP-IDF官方文档中将GPIO的设置封装成函数：gpio_config。

@path: gpio.h  
@brief: GPIO通用配置函数，配置 GPIO 的模式，上拉，下拉，中断   
@param: 一个指向** GPIO 配置结构体**的指针 pGPIOConfig   
@return： ESP_OK：成功；ESP_ERR_INVALID_ARG：参数错误    

esp_err_t gpio_config(const gpio_config_t *pGPIOConfig);

GPIO 配置结构体：

/**
 * @brief Configuration parameters of GPIO pad for gpio_config function
 */
typedef struct {
    uint64_t pin_bit_mask;          /*!< GPIO pin: set with bit mask, each bit maps to a GPIO */
    gpio_mode_t mode;               /*!< GPIO mode: set input/output mode                     */
    gpio_pullup_t pull_up_en;       /*!< GPIO pull-up                                         */
    gpio_pulldown_t pull_down_en;   /*!< GPIO pull-down                                       */
    gpio_int_type_t intr_type;      /*!< GPIO interrupt type                                  */
} gpio_config_t;

以配置GPIO1为输出、GPIO3为输入为例。代码为：

#include 
#include 
#include 
#include "driver/gpio.h"  
#include "freertos/FreeRTOS.h" //portTICK_RATE_MS
#include "freertos/task.h" //vTaskDelay
/**
 * Brief:
 * 基本的GPIO输入输出学习
 *
 * GPIO status:
 * GPIO1: output
 * GPIO3:  input
 *
 * Test:
 * Connect GPIO1 with GPIO3
 * Generate pulses on GPIO3, that connect to GPIO3
 *
 */ 
#define GPIO_2   2
#define GPIO_4   4

void app_main(void)
{
    // GPIO1
    gpio_config_t io_conf = {};                 //新建配置GPIO pad的gpio_config功能参数的结构体  
    io_conf.pin_bit_mask = (1ULL