PIO 入门：手把手实现板载 LED 闪烁，原理与代码全解析

PIO 控制板载 LED 灯闪烁

以下代码可以在我们提供的资料包中 elegance-devkit v1\Demo\29 PIO_LED 文件夹找到。

我们首先使用 PIO 控制 Pico 的板载 LED 灯闪烁，示例代码如下：

# Python env   : MicroPython v1.23.0
# -*- coding: utf-8 -*-        
# @Time    : 2024/7/27 下午11:48   
# @Author  : 李清水            
# @File    : main.py       
# @Description : 通过PIO控制板载LED灯闪烁

# ======================================== 导入相关模块 ========================================

# 导入硬件相关的模块
from machine import Pin
# 导入时间相关的模块
import time
# 导入RP2040相关的模块
import rp2

# ======================================== 全局变量 ============================================

# ======================================== 功能函数 ============================================

# 定义一个 PIO 程序,将输出引脚初始化为低电平
@rp2.asm_pio(set_init=rp2.PIO.OUT_LOW)
def blink() -> None:
    """
​    定义一个闪烁LED灯的PIO程序。

​    Args:
​        None

​    Returns:
​        None

​    Description:
​        该PIO程序通过设置引脚的高低电平来控制LED灯的闪烁。
​        高电平和低电平各持续160个时钟周期，总周期为320个时钟周期。
​    """
​    ​# 标记程序的起始位置
    wrap_target()
    # 将输出引脚设置为高电平,并延迟 31 个时钟周期
    set(pins, 1)   [31]
    # 以下nop指令无操作,并延迟 31 个时钟周期
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    # 将输出引脚设置为低电平,并延迟 31 个时钟周期
    set(pins, 0)   [31]
    # 以下nop指令无操作,并延迟 31 个时钟周期
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    nop()          [31]
    # 程序跳转到wrap_target()处
    wrap()

# ======================================== 自定义类 ============================================

# ======================================== 初始化配置 ==========================================

# 上电延时3s
time.sleep(3)
# 打印调试信息
print("FreakStudio : Use PIO to control onboard LED")
# 创建状态机0，加载blink()程序，设置PIO执行频率为 系统时钟/2000 Hz，设置引脚为25号引脚
sm = rp2.StateMachine(0, blink, freq=2000, set_base=Pin(25))

# ========================================  主程序  ===========================================

# 启动状态机0
sm.active(1)
# 延时5s
time.sleep(5)
# 关闭状态机0
sm.active(0)

这里，我们主要进行以下操作：

1. ​导入模块：​首先导入了必要的模块，包括 machine 用于处理硬件操作，time 用于处理时间相关的任务，以及 rp2 模块，它是 MicroPython 中用于处理 Raspberry Pi Pico RP2040 芯片的特定功能。
2. ​功能函数：​定义了一个名为 blink 的函数，它是一个 PIO 程序，用于控制 LED 灯的闪烁。这个函数使用了 @rp2.asm_pio 装饰器来定义 PIO 程序，并设置了程序的初始状态、频率和引脚。
3. ​初始化配置：​创建了一个名为 sm 的状态机对象，它加载了之前定义的 blink 函数，并将其频率设置为 2000Hz，引脚设置为 25 号引脚。
4. ​主程序：​在主程序部分，首先启动状态机 sm，使其开始执行 blink 函数，从而控制 LED 灯闪烁。然后等待 5 秒，最后关闭状态机 sm，停止 LED 灯的闪烁。

其中，blink 函数是一个 PIO 程序，它被设计成在每次迭代时改变 LED 灯的状态。具体来说，它将输出引脚设置为高电平，保持一段时间（由 nop 指令实现），然后将引脚设置为低电平，再次保持一段时间。这个过程不断重复，形成了 LED 灯的闪烁效果。

状态机 sm 负责执行 blink 函数。当状态机被激活（sm.active(1)）时，它会开始执行 blink 函数；当状态机被停用（sm.active(0)）时，它会停止执行 blink 函数，频率的设置决定了 LED 灯闪烁的速度。

这里，PIO 程序的头尾为：

wrap_target()
...
wrap()  # 程序跳转到wrap_target()处

我们也可以使用 label 标签和 jmp 指令进行替代：

label('loop')
...
jmp('loop') # 程序跳转到loop处

二者区别在于 jmp 指令执行时需要用到 1 个时钟周期的处理时间，而 wrap 不会花费任何时间。

我们通过 set 指令设定引脚电平：

set(pins, 1)  # 高电平
set(pins, 0)  # 低电平

这里，pins 是 pioasm 会自动解读的一个名称，代表 set 指令要写入的引脚，这我们通过 rp2.StateMachine() 的 set_base 参数来指定 pins 的基引脚（pins 为多个引脚的元组，set_base 为 pins 首个元素​），也就是 GPIO25。

其中每个完整的闪烁周期由 320 个时钟周期组成（高电平和低电平各占 160 个时钟周期），而状态机的频率为 2000 Hz，因此每个周期耗时 0.16 秒，对应 LED 闪烁频率为 6.25 Hz：

• set(pins, 1)​/​​set(pins, 0)​指令：​指令本身消耗 1 个时钟周期，延迟 31 个时钟周期，总共消耗 32 个时钟周期。
• nop()​指令：​每个 nop() 消耗 1 个时钟周期，加上延迟 31 个时钟周期，每个 nop() 总共消耗 32 个时钟周期，4 个 nop()总共消耗 128 个时钟周期。
• ​高电平部分：​set(pins, 1) 4 个 nop() = 32 + 128 = 160 个时钟周期。
• ​低电平部分：​set(pins, 0) 4 个 nop() = 32 + 128 = 160 个时钟周期。

程序整体流程如下图所示：

烧录程序到 Pico 中，可以看到 Pico 板载的 LED 闪烁 5s 后停止闪烁：

我们将输出引脚修改为 GP28，输入指令如下：

sm = rp2.StateMachine(0, blink, freq=2000, set_base=Pin(28))
sm.active(1)

这里，我们使用逻辑分析仪查看输出波形，可以看到波形频率确实为计算的 6.25Hz 左右：