【TI AM335x SoC系統晶片之GPIO驅動操作流程】

作者: 林普賢 ( sam91001200@gmail.com )、 孫文良( iws6645@gmail.com )

首先要去看開發板的電路圖。這裡以Beaglebone green wireless這塊開發板(dev. board)為例，在以下網址可以找到此開發板的電路圖[1]。

https://wiki.seeedstudio.com/BeagleBone_Green_Wireless/

(註: 而我們實驗時所使用的Beaglebone green wireless與Beaglebone Black這兩塊板子上面的系統晶片SoC同為TI的AM3358，所以在此二塊開發板上，其驅動GPIO的方式是同理的。)

如果我們想要點亮開發板上的D5 LED，就必須尋找它連接的腳位(pin)。由下圖可以得知D5所連接的腳位(pin)為GPIO1_24。

這時候我們就可以在AM335x的Datasheet[2]找到原來GPIO1_24的PIN_Name是GPMC_A8，並且腳位的模式需要選擇為7。

現在我們已經知道要操作的腳位是GPMC_A8，接下來就是看Reference Manual的GPIO feature去了解如何操作各個暫存器完成我們想要的功能。

由上面這張系統框圖可以看到，整個GPIO的操作其實不困難。給GPIO週邊提供時鐘、配置GPIO週邊的I/O方向、最後多工器選擇腳位的輸出由哪個週邊接管。有了這個系統框圖再搭配各個暫存器的說明，要自己寫出GPIO的裝置驅動程式相信不會太困難。

 

首先是圖中最左邊的Power & Clock，有玩過stm32的朋友一定很熟悉。沒錯，就是打開GPIO週邊的時鐘，沒有這個時鐘GPIO週邊是不會工作的。我們需要驅動LED的腳位是GPIO1_24，所以要操作CM_PER_GPIO1_CLKCTRL這個暫存器將GPIO1的時鐘打開。

 

操作記憶體地址這邊只講一次，其他暫存器的地址也是這樣查找的。在Reference Manual[3]我們尋找CM_PER_GPIO1_CLKCTRL應該找的到以下資訊:

可以看到CM_PER_GPIO1_CLKCTRL它的記憶體地址是基於CM_PER偏移了AC h，至於CM_PER的地址在哪裡呢? 可以在Memory Map的章節查到:

所以這樣我們就知道了CM_PER_GPIO1_CLKCTRL的記憶體地址，接下來要要看看需要設定這個暫存器的哪些內容。這裡需要操作Bit 18的欄位以及Bit [0:1]，表示將時鐘致能開啟GPIO功能。對應的example code(先暫時不討論ioremap)如下:

static volatile unsigned int *CM_PER_GPIO1_CLKCTRL = 0x44E00000 + 0xAC;

*CM_PER_GPIO1_CLKCTRL = (1<<18) | 0x2;

接下來要講解GPIO週邊的暫存器操作，在裝置初始化的時候其實只需要操作GPIO1_OE將output功能啟用就好，而GPIO1_CLEARDATAOUT和GPIO1_SETDATAOUT都是在撰寫功能時才會進行操作。這裡只會講解GPIO_OE的操作方式，其餘兩個暫存器的操作方式也是同理。

可以看到上圖說明想要啟用GPIO1對應接腳需要對相對應的bit進行clear操作，對應的程式如下:

*GPIO1_OE &= ~(1<<24);                            // 將GPIO1_24設置為輸出模式

*GPIO1_CLEARDATAOUT = (1<<24);       // 將GPIO1_24清0 (低電位)

*GPIO1_SETDATAOUT = (1<<24);           // 將GPIO1_24置1 (高電位)

最後是GPMC_A8的腳位選擇功能。由於晶片的接腳有限，對於同一支腳位它可能被各個不同的週邊共享，但同一時間只能選擇一種功能進行操作。這裡我們需要的選擇一般的輸入輸出模式，所以需要將對應的暫存器賦值為7(先前有提及)。對應的程式如下:

*conf_gpmc_a8 = 7;

至此，所有涉及點燈的GPIO操作以及其對應的暫存器已講解完畢，如果手邊有基於AM335x系列處理器的開發板的朋友，可以趕緊來實戰看看驗證成果。

References: 

[1] Seeed Studio BeagleBone® Green Wireless Schematic

[2] AM3358 Datasheet

[3] AM3358 Technical Reference Manual

林普賢、孫文良

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8位元的MCU在嵌入式系統設計中是否重要? 可由MCU大廠Microchip公司的產品推廣貼文去看出!

MCU大廠Microchip持續很積極的在推廣 8-bit 的 MCU

圖片來源: Microchip公司官方IG貼文

從單晶片微電腦/微控制器大廠Microchip的推廣貼文可看出，8位元的MCU 在 嵌入式系統設計領域之中實在是重要的角色。

上述該原廠貼文的hashtag的關鍵字是:

#embeddedsystems #analog #software #microchip #microcontrollers #mcus #engineering #tech #technology #innovation #power

為什麼一直重複講？因為沒有深入思考了解導致觀念錯誤的人實在太多。

圖片來源: Microchip公司官方IG貼文

上方第二張圖(原廠官方貼文)之hashtag關鍵字如下:

#analog #embeddeddesigns #microchip #microcontrollers #mcus #engineering #tech #technology 

#innovation #power

甚至看過許多業界主管/工程師/教授們連對於「嵌入式系統」的「基本定義」都有所誤會。

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感謝各家產業界工程師學員的在課後的主動心得分享回饋肯定

最近對於一位AIoT相關產品開發的軟韌體工程師學員於其開發過程中所遇到的 Arm Cortex-A9 processor(with MMU) based SoC/MCU(廠牌為 瑞薩/Renesas) 之 bootloader、chip internal/external RAM的access以及對應的flow、linker script等方面的相關問題和狀況進行解析及說明。

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另外，於上個月的另一位於IC設計產業任職的軟韌體工程師在之前的課後主動心得分享回饋如下:

(現在較重視保養喉嚨&課程學員人數控管了)

感謝各路軟韌體工程師學員們，對於我的嵌入式系統技術諮詢課程的支持鼓勵~!!

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近期接受韌體工程師學員的諮詢，各廠牌的嵌入式晶片/軟硬體平台都可諮詢合作!

近期接受韌體工程師學員的諮詢，以MCU大廠 瑞薩 ( Renesas ) 的 網路/多媒體產品類型的核心單元 ARM-Cortex Ax based系統晶片(System on Chip, SoC)/較大型的MCU 為實際解說目標範例。

連帶順帶介紹與討論到了Memory Mapped I/O、各式Boot Mode、linker script的一些相關觀念。

圖片來源: Renesas datasheet & website

圖片來源: Renesas datasheet & website

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本區接受工程師的顧問諮詢，可客製化諮詢內容針對工程師在自己的工作/公司中所使用的各家嵌入式系統晶片平台軟硬體作為諮詢/授課/教學目標。

瑞薩官網資訊: https://www.renesas.com/us/en/products/microcontrollers-microprocessors/rz-mpus/rza2m-image-processing-rtos-mpu-drp-and-4mb-chip-ram

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【阿良的韌體科普系列】「韌體」到底是什麼? 和軟體有什麼不同? 【下篇】

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承接中篇文章，下篇的內容如下: 

另外有些人可能會認為，被燒錄到裝置產品內的軟體都能叫做韌體，我甚至看過有人認為開發Android 裝置的上層軟體也是在做嵌入式系統韌體開發，對於這種觀念我個人是不同意的。因為畢竟只要是能執行軟體的產品 (有電腦系統在內)，有什麼不是裝置呢? 即便個人電腦PC也是裝置的一種。其實或許應該以軟體的所在層次(Level)去區分，會較客觀一些。

無論硬體平台是SoC或者MCU；無論產品類型是小體積的裝置還是PC或家電；無論主要系統軟體是屬於有無OS的類型、無論軟體單元/種類是Linux kernel、BIOS、bootloader等等，只要是位於底層層次的軟體(存取CPU、周邊暫存器、記憶體的層次的軟體，我認為即可稱為韌體)，撰寫韌體是需要考量到硬體狀況 (如果是控制I/O周邊用的韌體，時常還要考量及整合電腦晶片外部的電子電路設計)。

當然也有因為硬體架構較單純所以將應用程式和韌體混和撰寫的狀況，例如早期標準(至今仍可用於嵌入式基礎教學)的8051 MCU晶片的程式開發即是這種狀況(較早期的MCU硬體架構單純、資源較有限，不一定適合去將其軟體區分出太多高低階層次)。

• 註: 電腦並非只有指個人電腦(PC)，而是在許多人們於日常生活中所會使用到的產品裡面都有電腦(執行軟韌體程式以驅動各式硬體)，例如手機、平板電腦、家電(數位電視、電視機上盒、洗衣機、冷氣...) 等等。

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嵌入式系統相關觀念教學文:

1.   現代計算機系統核心硬體常見平台的分類與簡介概述

2.   Arduino到底是什麼? MCU又是什麼?

3.   許多人對於8051 MCU的常見錯誤觀念闢除

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孫文良 (阿良的嵌入式系統技術學習區)

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【阿良的韌體科普系列】「韌體」到底是什麼? 和軟體有什麼不同? 【中篇】

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承接上篇文章，中篇的內容如下: 

所以，若要精確一點來說(說好的初學者科普呢)，個人認為何到底謂韌體、何謂軟體，其實應該以該軟體所在的層次來區分，而不是以平台來區分。

以許多 初學者 或 學生 時常撰寫non-OS類型的Arduino軟體為例，當要驅動GPIO所對應的某支腳位輸出高電位時，如果使用的方式是是直接在Arduino IDE中去呼叫digitalWrite(Pin_Number, HIGH); 若以嚴格&精確一些的標準來說，呼叫函數的本身的這層程式碼的範疇，算是應用軟體層面(屬於 只負責下參數給這個現成的函數來應用這個函數，但看不到這個函數的內容是如何、實際上是如何接觸操作了什麼硬體暫存器 的層次)。 而 真正去實現digitalWrite這個函數的內容程式碼(對GPIO的暫存器作操作存取)的部分才是意義上較精確的韌體開發。

這時有些人可能會混淆，認為上述Arduino例子的digitalWrite(Pin_Number, HIGH)既然會直接驅動硬體(會讓Arduino板子輸出數位邏輯系統的高電位5V或3.3V(視MCU款式而定)訊號，那呼叫digitalWrite的層次的軟體怎麼會不屬於韌體呢?  

如果有這個疑問的朋友，可以自己想想，有什麼APP的最終功能目的不是驅動硬體動作呢? 例如你使用LINE APP發送文字訊息給朋友，此時手機畫面的硬體、手機通訊相關硬體其實都有做事(work)，但難道LINE APP是韌體類的程式嗎?  既然世界上所有的軟體本來就都是為了驅動電腦硬體做事(以達到我們人類所指定的功能)，那又何必區分獨立出韌體這個名詞呢?  所以，韌體應該必須是有其特定意義的。

當然了，上述講述的Arduino函數的這例子的說明內容，是比較精確嚴謹的韌體名詞作釐清，但如果將韌體這個名詞的定義放寬、放得更廣泛一些，那通常MCU的軟體等都會被統稱為韌體。

又例如許多消費性電子產品(如機上盒、路由器)內的軟體升級，這時的軟體也常被泛稱為韌體，所以使用者會看到的名詞是韌體更新(算是一種泛稱)，但是實際上確切到底是更新了哪些部分的軟體、更新的到底是屬於底層還是屬於上層的軟體，其實當然只有原廠負責相關工作的工程師才知道。

以及 如果是在科技產業/企業公司的職缺名稱方面，即便是呼叫digitalWrite函數來應用以控制MCU(進而驅動其它硬體)的相關軟體工作(是否接觸更底層的真實定義上的韌體，就看工作性質而定)，這些工作職缺通常也都被企業在人力銀行網站上 統稱為 韌體工程師 (畢竟是驅動MCU晶片功能的軟體，直覺上想起來仍是很直接會驅動硬體的軟體工作)，

所以各位朋友會發現，有時候人們在這些名詞的使用上是會有混用情況的  (情況有點類似 微控制器Microcontroller 也常被稱作 微處理器Microprocessor，若要探究這兩者的差異細節，則可參考我之前撰寫的這篇文章去了解該兩者的詳細的定義和區別)。

其餘的內容會放在 下篇 繼續介紹(可直接點連結連入關看)。

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嵌入式系統相關觀念教學文:

1.   現代計算機系統核心硬體常見平台的分類與簡介概述

2.   Arduino到底是什麼? MCU又是什麼?

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【阿良的韌體科普系列】「韌體」到底是什麼? 和軟體有什麼不同? 【上篇】

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說明: 

撰寫此系列文章的目的，主要是希望能讓初學者(甚至非本科系的朋友)能了解一些關於韌體的基本觀念，所以不會使用太艱澀的方式來描述 (盡量)。

(但是後來發現這些內容對有些初學者而言可能還是會有點艱澀，所以順便廣告一下，對於許多初學者來說，有些內容或許真的需要來上課才比較容易更清楚和容易吸收，若需要課程請洽最下方的email)。

某些人對於這些專業名詞的定義和觀念或許有些差異，在這文章中，我將以個人長期以來對於MCU(微控制器，也就是單晶片微電腦) 與 SoC(系統晶片)的 軟韌體程式開發經驗(包含non-OS無作業系統類型 和 OS based有作業系統類型)來進行分析和說明。

字有點多，請見諒，也請發揮耐心擁抱文字。

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韌體(Firmware)，既不是硬體，也不是開發性質較偏向純「軟」、較高階(註1)的那些 應用軟體 (廣泛來說，例如在執行於作業系統之上的APP、網頁、資料庫應用 等層面，都算應用軟體)。此外，韌體也並不是在開發數位IC的時候所使用的硬體描述語言所撰寫的程式。

韌體 也是一種 軟體。在開發過程的最後階段，最終都是在經由編譯或組譯之後，經處理(例如燒錄)被放置在記憶儲存單元之中，等待讓CPU提取(fetch) 及 執行(execute) 的 數位碼 (也就是所謂的 機械碼，是二進制碼，由0和1所組成)。

然而，既然 韌體(firmware) 也是一種 軟體(software)，那為何又會有 韌體 這個名詞的存在呢?

簡單來說，韌體 是 屬於比較「硬」的 軟體，這是什麼意思呢?  有些朋友可能會有疑問，即便是上層的應用軟體(例如APP)，其存在的目的，不也都是為了要驅動硬體來完成功能的嗎?  那麼，上層應用軟體 和 韌體 之間的 差異 又是什麼呢?

以我個人的經驗來說，韌體 就是: 「較貼近、較直接存取電腦硬體單元的軟體」。

而「貼近電腦硬體」又是什麼意思呢?  

就是位於底層(越接近電腦硬體)、直接對硬體(CPU 及 各式周邊裝置的暫存器)進行操作和存取的軟體所在層次(或者說類型)。而不像是較上層的應用軟體那樣、中間經過很多層的軟體轉換及對應之後才能間接存取硬體資源。

而為何說是「較」貼近硬體呢? 所謂的「較」貼近硬體， 是有多貼近呢?

現代因為某些系統的軟韌體的層次多樣，一個規模較大的電腦系統的軟韌體可能會被分很多層次去分工進行開發，有時候其實際狀況也不是那麼容易就可輕易劃分。但簡單來說，越直接對硬體進行存取操作的層次就越是偏向接近韌體的範疇，包含到存取暫存器內容值的相關內容。

• 註1: 在這邊先解釋一下在電腦系統內的一些用語，越上層或越高階是指是越貼近人類(開發者)的技術範疇，越底層或越低階指的是越接近電腦硬體(硬體包含: 處理器、周邊裝置、記憶單元 及 周邊相關的電子電路等等)。

所以請注意(再次強調)，這裡指的 高階/低階 或者 上層/底層，並不是指技術的難度高低，而是指 該技術層次 是否位於 較靠近人類的習慣和直覺(越高階或者說越上層) 還是 比較靠近電腦系統硬體(越低階或者說越底層，離人類習慣直覺認知越遠)。 

通常對於非硬體背景出身的人來說，底層技術的入門通常可能會較需要時間去體驗和學習 (包含要了解一些硬體觀念)，如果是由具有實際開發經驗的人指導、幫助學習、給予方向，可大幅提升觀念上的理解和學習速度 (這也是我開課的目的)。 

為了避免文章內容太多會導致大家看不下去，剩下的內容會放在 中篇 和 下篇 ，歡迎點入連結繼續觀看下去。

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【阿良的韌體科普系列】系列文章─開張文

這幾年來逐漸發現，現在因為某些議題被過度炒作和放大(如AI，不論在新聞媒體/報章雜誌上面)，且學術界(大學校院)又過於績效導向，大多為了角逐計畫和資源，而不斷地去追求所謂比較夯的名詞的相關議題(未必能反映台灣產業界的真實專業技術人才需求)，導致一些重要的紮實專業技術教育越來越不受到重視。

於電腦相關領域(資訊工程領域)，在較上層的程式語言(如Python)隨著上述議題而一同受到社會高度重視的同時，越來越少學生 或 初入社會的人士，能了解何謂電腦系統的底層(如 韌體 與 硬體)，

但是，其實產業界對於電腦底層相關的工程師職務需求量是很大的(可自行搜尋人力銀行求證)，

許多人似乎都快忘記，軟體終究是被拿來控制/驅動電腦硬體的、軟體是被硬體所執行的，

而且，其實軟體也有很多不同的層面和種類，軟體 並不是 只有一般人眼睛看得到的 視窗介面軟體、APP 或 網頁 而已，

不少人似乎把底層系統都給忘記，甚至不太曉得 較底層的系統軟體(韌體、驅動程式、開機啟動程式、作業系統核心等名詞)的存在和意義。

有鑑於上述狀況，本園區這邊最近會開始撰寫並分享【阿良的韌體科普系列】系列文章，希望透過比較淺顯易懂的文字介紹方式，讓更多人對於電腦底層、韌體相關的軟體程式、硬體等底層單元，能有更多的了解。

這系列文章的撰寫風格，會盡量避免太過繁瑣詳細的內容，但同時保持內容的正確性，雖然這樣的有可能會犧牲一些詳細的說明，但還是希望能藉此方式，讓更多朋友能對於電腦底層的軟硬體相關知識有些了解。

希望讓大家能擴展自己對於職涯的選擇性和技術視野，而不是等到去工作了，才知道自己做的工作到底是在做什麼。

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