Оптимізація маніпулювання GPIO на мікроконтролері ESP32

8 Березня 2024 в 19:56 51

Маніпулювання GPIO (загально-призначеними вводу-виводу) є однією з ключових задач для багатьох застосувань мікроконтролерів, таких як ESP32. В даній статті ми розглянемо методи оптимізації маніпулювання GPIO на мікроконтролері ESP32, зосереджуючись на перегляді та записі кількох GPIO одночасно за допомогою перестановки бітів в цілому числі.

Зазвичай маніпулювання GPIO включає в себе пряму адресацію окремих виводів, що може бути витратною операцією, особливо коли потрібно взаємодіяти з кількома GPIO одночасно. У випадку ESP32, як у багатьох інших мікроконтролерах, оптимізація маніпулювання GPIO може суттєво підвищити продуктивність та зменшити споживання енергії.

Проблема

У багатьох випадках роботи з GPIO на мікроконтролері ESP32 може виникати потреба в записі і читанні декількох GPIO одночасно. Наприклад, вам може знадобитися записати значення чотирипінного порту в один регістр або зчитати чотири GPIO в один байт. Це особливо актуально для використання в апаратних інтерфейсах, сенсорних пристроях, а також управлінні світлодіодами, моторами та іншими пристроями.

Розв’язання

Одним з способів вирішення цієї проблеми є використання оптимізованих алгоритмів для перестановки бітів в цілому числі, які представляють значення GPIO. Для цього ми можемо використовувати маски бітів та бітові операції, такі як побітове І (AND), побітове АБО (OR) та зсуви бітів.

Для прикладу, розглянемо запис на GPIO. Ми можемо використати константні маски бітів для кожного GPIO, а потім здійснити побітові операції для встановлення або скидання відповідних бітів в регістрі виводу.

void write_pins(uint8_t out) {
    static const uint32_t masks[4] = {BIT(dig_out[0]), BIT(dig_out[1]), BIT(dig_out[2]), BIT(dig_out[3])};
    uint32_t set   = ((out & 0b0001) ? masks[0] : 0) | ((out & 0b0010) ? masks[1] : 0) | ((out & 0b0100) ? masks[2] : 0) | ((out & 0b1000) ? masks[3] : 0);
    uint32_t reset = (!(out & 0b0001) ? masks[0] : 0) | (!(out & 0b0010) ? masks[1] : 0) | (!(out & 0b0100) ? masks[2] : 0) | (!(out & 0b1000) ? masks[3] : 0);
    REG_WRITE(GPIO_OUT_W1TS_REG, set);
    REG_WRITE(GPIO_OUT_W1TC_REG, reset);
}

void write_pins(uint8_t out) {

static const uint32_t masks[4] = {BIT(dig_out[0]), BIT(dig_out[1]), BIT(dig_out[2]), BIT(dig_out[3])};

uint32_t set = ((out & 0b0001) ? masks[0] : 0) | ((out & 0b0010) ? masks[1] : 0) | ((out & 0b0100) ? masks[2] : 0) | ((out & 0b1000) ? masks[3] : 0);

uint32_t reset = (!(out & 0b0001) ? masks[0] : 0) | (!(out & 0b0010) ? masks[1] : 0) | (!(out & 0b0100) ? masks[2] : 0) | (!(out & 0b1000) ? masks[3] : 0);

REG_WRITE(GPIO_OUT_W1TS_REG, set);

REG_WRITE(GPIO_OUT_W1TC_REG, reset);

}

Для зчитування з GPIO, ми також можемо використовувати маски бітів та побітові операції для отримання значень з регістру вводу.

uint8_t read_pins() {
    static const uint32_t masks[4] = {BIT(dig_in[0] - 32), BIT(dig_in[1] - 32), BIT(dig_in[2] - 32), BIT(dig_in[3] - 32)};
    uint32_t pins = REG_READ(GPIO_IN1_REG);
    return (!!(pins & masks[0]) << 0) | (!!(pins & masks[1]) << 1) | (!!(pins & masks[2]) << 2) | (!!(pins & masks[3]) << 3);
}

uint8_t read_pins() {

static const uint32_t masks[4] = {BIT(dig_in[0] - 32), BIT(dig_in[1] - 32), BIT(dig_in[2] - 32), BIT(dig_in[3] - 32)};

uint32_t pins = REG_READ(GPIO_IN1_REG);

return (!!(pins & masks[0]) << 0) | (!!(pins & masks[1]) << 1) | (!!(pins & masks[2]) << 2) | (!!(pins & masks[3]) << 3);

}

Можливі оптимізації

Щодо можливих оптимізацій, одним з варіантів може бути використання малих таблиць з відповідностями, де значення GPIO служить індексом. Це може дозволити уникнути повторних обчислень та ускладнених умовних виразів.

Також можливо дослідити можливість генерації “магічних” констант для побітових операцій або розглянути оптимізації на рівні асемблера для підвищення продуктивності.

Висновок

Оптимізація маніпулювання GPIO на мікроконтролері ESP32 є важливою задачею для підвищення продуктивності та ефективності використання ресурсів пристрою. Використання перестановки бітів в цілому числі та інших оптимізованих методів може допомогти досягти кращих результатів при роботі з GPIO на ESP32 та подібних пристроях.