从数据手册出发：RP2040 PIO 指令集详解

PIO 指令集

PIO 指令集共包含 9 条指令，每条指令均为 16 位长度，按功能分为 3 个固定字段（对应指令编码表）：

• ​指令编码段（Bit15~13）​：3 位，用于区分不同指令（如 JMP 对应 000、WAIT 对应 001）；
• ​侧集 / 延时段（Bit12~8）​：5 位，存储侧集操作值和延时周期数，具体分配规则依赖状态机的 SIDESET_COUNT 配置（最多 5 位，其中 SIDESET_COUNT 位用于侧集，剩余位用于延时）；
• ​指令参数段（Bit7~0）​：8 位，存储指令的条件、地址、源 / 目标、位数等具体参数。

所有 ​PIO​​ ​指令​​的执行时间都是一个时钟周期​。

5 位长的 Delay/side-set 字段的含义依赖于状态机的 SIDESET_COUNT 配置：

• 最多 5 个 LSB 位长（位长为 5 - SIDESET_COUNT）为当前指令和下一条指令之间插入的 Delay 延迟周期数
• 最多 5 个 MSB 位长（位长为 SIDESET_COUNT）为 side-set 侧集操作，可以在该指令执行的同时，将某些 GPIO 管脚设置为某个常量

这里，延时操作可以在我们需要精确定时和或信号同步时应用，而 side-set 侧集操作允许我们在执行​指令​同时额外设置引脚。这对于时钟和使能等控制信号很有用，side-set 侧集操作用于控制引脚，而 OUT、​MOV​等指令用于处理数据。

下面对每个指令的具体含义进行介绍。

1.JMP 跳转指令

JMP 跳转指令用于根据条件判断是否执行指令跳转，改变当前程序的顺序执行流。

根据 Condition 条件判断是否修改程序计数器（PC）：若条件为真，将 PC 设置为 Address 对应的指令地址；否则保持 PC 自增。无论条件是否满足，指令均消耗 1 个时钟周期，延时在条件求值后执行。

JMP 指令执行时无论 Condition 是否为真都会消耗一个时钟周期。Delay 延迟在 Condition 被求值、程序计数器被更新后发生。

参数含义如下：

• Condition：Condition 是一个 3 位的二进制值（对应 000~111），决定了 “什么时候才跳转”。你可以把它理解成 “跳不跳的开关”，每个开关对应不同的判断规则；
• Address：Address 是一个 5 位的二进制值，对应 0~31 的整数，表示目标指令在 PIO 指令内存中的绝对地址（可以理解成 “指令的编号”）。

Condition 取值和含义如下：

Address 取值和含义如下：

• PIO 的指令内存最多能存 32 条指令，所以地址只能是 0（第一条指令）到 31（最后一条指令）；
• 你不用手动算这个地址，写程序时用标签（比如 loop）代替就行，SDK 会自动把标签转换成绝对地址（新手不用管转换过程，记住用标签就行）。

汇编语法为：jmp (<cond>) <target>

其中：

• <cond> 是上节列出的可选的条件。如果未指定条件，则总是跳转。
• <target> 是一个程序标签或值，表示程序内部的指令偏移量（第一条指令的偏移量为 0）。
  • 注意，由于 PIO JMP 指令使用 PIO 指令内存之内的绝对地址，JMP 需要在运行时根据程序的加载偏移量进行调整。
  • 这一步在加载程序时由 SDK 负责，但在编码 JMP 指令供 OUT EXEC 使用时需要留意这一点。

2.WAIT 延时指令

WAIT 延迟指令用于等待各种事件，例如引脚状态更改或中断发生。

WAIT 延迟指令持续等待 Source 指定的事件满足 Pol 极性条件，条件满足前状态机暂停执行；Delay 延时在等待完成后执行。

参数含义如下：

• Polarity：Polarity 是一个 1 位的二进制值（只有 0 或 1），决定了 “等待的事件要处于什么状态才满足条件”，可以理解成 “等的是 0 还是 1”。
• Source：Source 是一个 2 位的二进制值（00~11），决定了 “我们要等什么类型的事件”，这是 WAIT 指令的核心选择项。
• Index：Index 是一个 5 位的二进制值，对应 0~31 的整数，表示 “在选定的事件类型中，具体等哪一个对象”。

Polarity 可选值如下所示:

Source 可选值如下所示：

Index 可选值如下所示：

汇编语法为：

• wait <polarity> gpio <gpio_num>
• wait <polarity> pin <pin_num>
• wait <polarity> irq <irq_num> (rel)

其中：

• <polarity> 是一个值，指定极性（0 或 1）；
• <pin_num> 是一个值，指定输入管脚的编号（在状态机输入管脚映射中的编号）；
• <gpio_num> 是一个值，指定实际的 GPIO 管脚编号；
• <irq_num> (rel) 是一个值，指定要等待的 IRQ 编号（0 ~ 7）。如果设置了 rel，则实际的 IRQ 编号的计算方式为，将 IRQ 编号的最低两个数据位（irq_num(10)）替换成和的最低两个数据位（irq_num(10) + sm_num(10)），其中 sm_num(10) 为状态机编号；

3.IN 数据读出指令

IN 数据读出指令用于从引脚输入或 X 或 Y 暂存寄存器等数据输入源将数据转移到 ISR 中。

从 Source 移位 Bit count 个数据位（最大到 32）到输入移位寄存器（ISR）中。移位方向由各个状态机的 SHIFTCTRL_IN_SHIFTDIR 决定。

参数含义如下：

• Source：：数据取出的源地址，Source 是 3 位二进制值，对应不同的数据源；
• Bit count：Bit count 是 5 位二进制值，对应要从数据源取的位数，规则很简单：
  • 取值范围：1~32 位（比如拿 1 位、8 位、32 位）；
  • 特殊编码：32 位对应的二进制是 00000（因为 5 位最多表示 31，所以用 0 代表 32）。

Source 可选值如下所示

如果启用了自动推出（autopush），可以把 autopush 理解成 ISR 的 “自动存盘” 功能：

• 先给 ISR 设一个 “存盘阈值”（SHIFTCTRL_PUSH_THRES，比如 8 位）；
• 每次执行 IN 指令，ISR 里的数据位数会累加，当达到阈值时，ISR 会自动把数据 “推” 到 RX FIFO（给 CPU/DMA 读）；
• 推完后 ISR 会清空为 0，同时暂停接收数据（直到 FIFO 有空位）；
• 如果 FIFO 满了，状态机会 “等”（暂停执行），直到 FIFO 有空位。

IN 永远使用源数据的最低 Bit count 个数据位。例如，如果 PINCTRL_IN_BASE 设置为 5（状态机输入映射从 GPIO5 开始），那么指令 IN 3, PINS 会读取管脚 5、6 和 7（不是最高位），并将这些值移入 ISR；首先，ISR 会左移或右移，为新的输入数据腾出空间，然后将输入数据复制到腾出的空间中。需要注意的是，输入数据的数据位顺序与移位方向无关。

汇编语法为：in <source>, <bit_count>

其中：

• <source> 是上述源之一；
• <bit_count> 是一个值，指定了要移位的数据位数（有效值为 1 ~ 32）。

4.OUT 数据写入指令

OUT 数据写入指令用于将数据位从 OSR 移至数据目的地，例如引脚输入或 X 或 Y 暂存寄存器。

将 Bit count 个数据位移出输入移位寄存器（OSR），并写入 Destination。此外，还会增加输出移位计数器 Bit count，直到最大值 32。

参数含义如下：

• Destination：数据写入的目的地址，Destination 是 3 位二进制值（000~111），决定了数据的最终去向。

• Bit count：Bit count 是 5 位二进制值，规则和 IN 指令完全一致：

  • 取值范围：1~32 位（比如移出 1 位、8 位、32 位）。
  • 特殊编码：32 位对应的二进制是 00000（因为 5 位最多表示 31，所以用 0 代表 32）。

  Destination 可选值如下所示：

  

将一个 32 位值写入 Destination：写入目的地的 32 位值，默认取 OSR 的低 Bit count 位，右移位时取高 Bit count 位，其余位为 0

如果启用自动加载（autopull），autopull 理解成 OSR 的 “自动补货” 功能，和 IN 指令的 autopush 是一对互补的机制：

• ​设置阈值：​先给 OSR 设一个 “补货阈值”（SHIFTCTRL_PULL_THRESH，比如 8 位）。
• ​自动补货：​每次执行 OUT 指令，输出移位计数器会累加，当达到阈值时，OSR 会自动从 TX FIFO（CPU/DMA 给 PIO 发数据的缓冲区）加载新的 32 位数据，同时输出移位计数器清零。
• ​等待机制：​如果 TX FIFO 为空（没数据可补），状态机会暂停执行（直到 TX FIFO 有数据），但 OUT 指令的执行时间仍然是 1 个时钟周期。

汇编语法为：out <destination>, <bit_count>

其中：

• <destination> 是上述数据目的地之一
• <bit_count> 是一个值，指定要移位的数据位数（有效值为 1 ~ 32）

5.PUSH 数据推出指令

PUSH 数据推出指令用于将 ISR 的 32 位数据推入 RX FIFO，同时清空 ISR，执行时间固定为 1 个时钟周期。

将 ISR 的内容作为一个 32 位字推入到 RX FIFO。同时将 ISR 清除为全零。

参数含义如下：

• IfFull：IfFull 是 1 位二进制值（0 或 1），决定 “是否要等 ISR 里的数据位数达到阈值（SHIFTCTRL_PUSH_THRESH）才推数据”；
• Block：Block 是 1 位二进制值（0 或 1），决定 “RX FIFO 满了时，是暂停等还是直接扔数据”。

IfFull 的含义和参数如下：

Block 的含义和参数如下：

汇编语法为：

• push (iffull)

• push (iffull) block

• push (iffull) nonblock

  其中：

• iffull 相当于上述 IfFull == 1，也就是说，不指定的情况下，默认值为 IfFull == 0；

• block 相当于上述 Block == 1，如果不指定 block 或 noblock，则此值为默认值；

• noblock 相当于上述 Block == 0。

  

6.PULL 数据加载指令

PULL 数据加载指令用于从 TX FIFO 取 1 个 32 位数据，加载到 OSR 中，同时清空 OSR，执行时间固定为 1 个时钟周期。

从 TX FIFO 加载一个 32 位字到 OSR 中。

参数含义如下：

• IfEmpty：IfEmpty 用于控制 PULL 指令的执行时机，仅当输出移位计数器达到配置阈值（SHIFTCTRL_PULL_THRESH，与自动加载 autopull 的阈值一致）时，才执行数据加载操作；
• Block：Block 用于定义 TX FIFO 为空时的状态机行为，决定是否暂停执行以等待数据。

IfEmpty 的含义和参数如下：

Block 的含义和参数如下：

注意，当启用自动加载时，在 OSR 满的情况下（OSR 中仍存储有未被 OUT ​​指令​移出的完整 32 位数据）任何 PULL 指令都是误操作，会直接将 TX FIFO 的新数据覆盖到 OSR 中，导致 OSR 中原有的未输出数据被丢失，这种操作属于硬件层面的误操作，会破坏数据输出的连续性和完整性。

PULL 指令的 “屏障” 特性，本质是利用其​执行时机的可控性​（通过 ifempty 参数）来阻止误操作：

• 当配置 pull ifempty 时，PULL 指令仅会在输出移位计数器达到阈值（OSR 中的数据已移出大部分，接近空）时执行；
• 这相当于在 OSR “满” 和 “空” 之间建立了一道 “屏障”，确保只有 OSR 数据已充分输出后，才会触发手动 PULL 操作，避免了 OSR 满时的误加载。

汇编语法为：

• pull (ifempty)

• pull (ifempty) block

• pull (ifempty) noblock

  其中：

• ifempty 相当于上述 IfEmpty == 1，即如果没有指定，则默认值为 IfEmpty == 0

• block 相当于上述 Block == 1。如果不指定 block 或 noblock，则此值为默认值

• noblock 相当于上述 Block == 0

7.MOV 数据移动指令

MOV 数据移动指令用于将数据从源地址移动到目的地址。可以使用寄存器和引脚作为数据移动的源地址、目标地址以及几个具有特殊功能的位置。

从 Source 复制数据到 Destination。

参数含义如下：

• Destination：Destination 为 3 位配置位，指定数据最终写入的硬件单元，部分目标具有特殊功能；
• Operation：Operation 为 2 位配置位，用于对源数据进行预处理后再复制；
• Source：Source 为 3 位配置位，指定数据的来源，其中 STATUS 为特殊状态源。

Destination 的含义和参数如下：

Operation 的含义和参数如下：

Source 的含义和参数如下：

汇编语法为：mov <destination>, (op) <source>

其中：

• <destination> 是上述数据移动目的地之一
• <op> 如果存在的话，为下列值之一：
  • ! 或 ~ 表示 NOT
  • :: 表示反转数据位顺序
• <source> 是上述源之一

8.IRQ 中断写入或清除指令

IRQ 中断写入或清除指令用于引发一个中断，或对触发的中断进行清除。

参数含义如下：

• Clear：Clear 为 1 位配置位，决定对 IRQ 标志位执行 “清除” 还是 “设置” 操作，具有最高优先级（若 Clear=1，则忽略 Wait 参数）；
• Wait：Wait 为 1 位配置位，仅在 Clear=0（设置 IRQ）时生效，决定是否等待标志位被清除；
• Index：Index 为 5 位配置位，其中最低 3 位（LSB）指定 IRQ 索引（0~7），最高位（MSB）控制是否启用相对寻址（模 4 运算）：
  • ​基础索引​：最低 3 位直接对应 IRQ 索引 0~7，指定操作的 IRQ 标志位；
  • ​相对寻址（MSB=1）​：将状态机 ID（0~3）与 IRQ 索引的最低两位相加后取模 4，替换原索引的最低两位，第三个 LSB 位保持不变。

Clear 参数含义如下：

Wait 参数含义如下：

汇编语法如下：

irq <op> <irq_num> (_rel)

其中：

• <op>：可选操作标识，决定指令行为（设置 / 清除 / 等待）；

• <irq_num>：IRQ 编号（0~7），对应 Index 的最低 3 位；

• _rel：可选，启用相对寻址（对应 Index 的 MSB=1），实际 IRQ 编号按 “(irq_num 最低两位 + 状态机 ID) % 4” 计算（第三个 LSB 位不变）。

  

常见用法如下：

可以在 INTR 寄存器中查看原始中断输出状态：

可以在 INTS 寄存器查看掩码中断输出状态：

9.SET 设置映射 GPIO 指令

SET 设置映射 GPIO 指令用于将数据写入到 GPIO 引脚（即控制高低电平），也可以将数据写入到 X\Y 寄存器中。

将立即数 Data 写入到 Destination。

参数含义如下：

• Destination：Destination 为 3 位配置位，指定 5 位立即数的写入对象；
• Data: Data 为 5 位配置位，是直接写入目标的固定值，​取值范围为 0~31​（5 位二进制的最大值）：
  • 若目标为 PINS/PINDIRS：Data 的每一位对应 SET 管脚映射中的一个 GPIO，位值 1/0 对应 GPIO 的高 / 低电平（PINS）或输出 / 输入方向（PINDIRS）；
  • 若目标为 X/Y：Data 直接作为寄存器的低 5 位，高 27 位清 0，因此 X/Y 通过 SET 可初始化的最大值为 31（适合短周期循环计数）。

该指令用于设置控制信号，如时钟或芯片选择，或初始化循环计数器。由于 Data 只有 5 个数据位，因此可擦写寄存器可以 SET 的值为 0 ~ 31，最大可循环 32 次。

SET 和 OUT 的管脚映射是独立配置的。它们可以映射到不同的位置，例如，一个管脚作为时钟信号使用，另一个作为数据使用。它们的管脚范围也可以重叠： UART 传输程序可以使用 SET 来设置开始和终止数据位，用 OUT 指令向同一个管脚上移出 FIFO 数据。

汇编语法为：set <destination>, <value>

其中：

• <destination> 为上述数据操作目的地；
• <value> 是要设置的值，有效值为 0 ~ 31。