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docs/micro-controladores/RP2040/advanced-pio-led-control-and-resource-management.md

@@ -0,0 +1,282 @@
+---
+slug: advanced-pio-led-control-resource-management-rp2040
+title: Advanced PIO LED Control and Resource Management on RP2040
+
+authors:
+ - name: w0x7ce
+   title: Embedded Systems Engineer
+   url: https://github.com/tianrking
+   image_url: https://github.com/tianrking.png
+
+tags: [RP2040, PIO, LED Control, Resource Management, Raspberry Pi Pico, embedded systems, state machine optimization]
+---
+
+# RP2040 上的進階 PIO LED 控制與資源管理
+
+在嵌入式系統開發中，有效利用微控制器的資源至關重要。本文將深入探討如何在 Raspberry Pi Pico 的 RP2040 晶片上使用可程式化輸入/輸出（PIO）來實現複雜的 LED 控制邏輯，同時有效管理 PIO 資源。
+
+## PIO 程式設計：實現複雜的 LED 控制邏輯
+
+首先，讓我們來看我們的 PIO 程式，它實現了一個特定的 LED 控制邏輯：
+
+```asm title="hello.pio"
+.program led_controller
+.side_set 1 opt
+
+.wrap_target
+    pull block                  ; 從 FIFO 提取數據到 OSR
+    out x, 32                   ; 將 32 位數據移至 x 寄存器
+    
+    ; 檢查 x 是否為 0
+    jmp !x, off                 ; 如果 x 為 0，跳轉至 off
+
+    ; 檢查 x 是否為 3、8、15 或 21
+    mov y, x                    ; 將 x 複製到 y
+    set x, 2                    ; 設置 x 為 3（二進制 11）
+    jmp x!=y, check_8           ; 如果不是 3，檢查是否為 8
+    jmp off                     ; 如果是 3，關閉 LED
+
+check_8:
+    set x, 8                    ; 檢查是否為 8
+    jmp x!=y, check_15          ; 如果不是 8，檢查是否為 15
+    jmp off                     ; 如果是 8，關閉 LED
+
+check_15:
+    set x, 15                   ; 檢查是否為 15
+    jmp x!=y, check_21          ; 如果不是 15，檢查是否為 21
+    jmp off                     ; 如果是 15，關閉 LED
+
+check_21:
+    set x, 21                   ; 檢查是否為 21
+    jmp x!=y, on                ; 如果不是 21，開啟 LED
+    jmp off                     ; 如果是 21，關閉 LED
+
+off:
+    nop             side 0      ; 關閉 LED
+    jmp continue
+
+on:
+    nop             side 1      ; 開啟 LED
+
+continue:
+    nop                         ; 確保最後標籤後有指令
+.wrap
+```
+
+### 程式解析
+
+1. `.side_set 1 opt`：設置一個可選的側設置引腳，用於控制 LED。
+2. `pull block` 和 `out x, 32`：從 FIFO 讀取 32 位數據到 x 寄存器。
+3. 接下來的邏輯檢查輸入值是否為 0、3、8、15 或 21，如果是則關閉 LED，否則開啟 LED。
+4. `side 0` 和 `side 1` 用於控制 LED 的開關。
+
+:::info
+這個程式實現了一個特殊的 LED 控制邏輯：當輸入值為 0、3、8、15 或 21 時關閉 LED，其他值則開啟 LED。
+:::
+
+## PIO 初始化函數
+
+在 PIO 程式之後，我們定義了一個 C 函數來初始化 PIO 狀態機：
+
+```c title="hello.pio"
+% c-sdk {
+#include "hardware/clocks.h"
+
+static inline void led_controller_program_init(PIO pio, uint sm, uint offset, uint pin) {
+    pio_sm_config c = led_controller_program_get_default_config(offset);
+
+    sm_config_set_set_pins(&c, pin, 1);
+    sm_config_set_sideset_pins(&c, pin);
+    pio_gpio_init(pio, pin);
+    pio_sm_set_consecutive_pindirs(pio, sm, pin, 1, true);
+
+    sm_config_set_clkdiv(&c, 1);
+
+    pio_sm_init(pio, sm, offset, &c);
+    pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);
+}
+%}
+```
+
+這個函數設置 PIO 狀態機的配置，包括設置引腳、時鐘分頻等。
+
+## 主程式實現
+
+現在讓我們看看如何在主程式中使用這個 PIO 程式：
+
+```c title="main.c"
+#include <stdio.h>
+#include "pico/stdlib.h"
+#include "hardware/pio.h"
+#include "hello.pio.h"
+
+int main() {
+    stdio_init_all();
+    printf("LED Controller Test\n");
+
+    PIO pio = pio0;
+    uint sm = 0;
+    uint offset = pio_add_program(pio, &led_controller_program);
+    led_controller_program_init(pio, sm, offset, 25);  // 假設 LED 連接到 GPIO 25
+
+    while (true) {
+        for (int i = 1; i <= 25; i++) {
+            if (i == 0 || i == 3 || i == 8 || i == 15 || i == 21) {
+                printf("LED off (%d)\n", i);
+            } else {
+                printf("LED on (%d)\n", i);
+            }
+            pio_sm_put_blocking(pio, sm, i);
+            sleep_ms(1000);  // 等待 1 秒
+        }
+        printf("\nRestarting sequence...\n\n");
+        sleep_ms(2000);  // 重新開始前等待 2 秒
+    }
+
+    return 0;
+}
+```
+
+### 主程式解析
+
+1. 初始化標準輸入輸出和 PIO。
+2. 將 PIO 程式加載到 pio0 的狀態機 0 中。
+3. 在一個無限循環中，遍歷 1 到 25 的數字。
+4. 對於每個數字，將其發送到 PIO 狀態機，並印出 LED 的預期狀態。
+5. 每次操作後等待 1 秒，每輪循環後等待 2 秒。
+
+## 編譯和運行
+
+要編譯這個程式，您需要確保您的 `CMakeLists.txt` 文件正確設置。以下是一個示例：
+
+```cmake title="CMakeLists.txt"
+cmake_minimum_required(VERSION 3.13)
+include(pico_sdk_import.cmake)
+project(led_controller C CXX ASM)
+set(CMAKE_C_STANDARD 11)
+set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
+pico_sdk_init()
+
+add_executable(led_controller
+    main.c
+)
+
+pico_generate_pio_header(led_controller ${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR}/hello.pio)
+
+target_link_libraries(led_controller 
+    pico_stdlib 
+    hardware_pio
+)
+
+pico_enable_stdio_usb(led_controller 1)
+pico_enable_stdio_uart(led_controller 0)
+
+pico_add_extra_outputs(led_controller)
+```
+
+編譯完成後，將程式上傳到您的 Raspberry Pi Pico。
+
+## 測試結果
+
+當您運行這個程式時，您應該會在串口終端看到類似以下的輸出：
+
+```
+LED Controller Test
+LED on (1)
+LED on (2)
+LED off (3)
+LED on (4)
+LED on (5)
+LED on (6)
+LED on (7)
+LED off (8)
+...
+LED off (21)
+LED on (22)
+LED on (23)
+LED on (24)
+LED on (25)
+
+Restarting sequence...
+
+LED on (1)
+LED on (2)
+LED off (3)
+...
+```
+
+同時，您應該能觀察到連接到 GPIO 25 的 LED 相應地開啟和關閉。
+
+## PIO 資源管理和優化
+
+在這個例子中，我們的 PIO 程式使用了 12 個指令槽。RP2040 的每個 PIO 實例有 32 個指令槽，因此我們還有 20 個指令槽可用於其他目的。
+
+:::tip 優化考慮
+1. 如果需要在同一個 PIO 中運行多個程式，可以考慮減少每個程式的指令數。
+2. 使用 pio1 來運行額外的程式，它有完整的 32 個指令槽可用。
+3. 考慮讓多個狀態機共享部分指令，以最大化指令使用效率。
+:::
+
+您提出了一個很好的觀點。我會為您添加這些重要的知識點，詳細解釋 PIO 的整體架構、多狀態機使用以及指令限制。以下是新增的段落，您可以將其插入到適當的位置：
+
+---
+
+## PIO 架構與資源管理
+
+### PIO 實例與狀態機
+
+RP2040 擁有兩個 PIO 實例（PIO0 和 PIO1），每個 PIO 實例包含四個獨立的狀態機。這種設計提供了極大的靈活性：
+
+- 每個 PIO 實例可以同時運行最多四個獨立的程序。
+- 狀態機可以獨立運行，也可以協同工作，實現複雜的功能。
+
+:::info
+例如，在 VGA 信號生成中，一個狀態機可能負責水平同步，另一個負責垂直同步，而第三個處理像素數據輸出。
+:::
+
+### 指令內存共享
+
+每個 PIO 實例擁有 32 條指令的共享內存。這是一個關鍵的限制和設計考慮：
+
+- 所有四個狀態機共享這 32 條指令空間。
+- 每個程序可以使用任意數量的指令，只要總和不超過 32。
+- 一個狀態機可以使用全部 32 條指令，或者多個狀態機可以使用不同數量的指令。
+
+:::caution
+當設計 PIO 程序時，必須考慮到 32 條指令的限制。這要求開發者在功能實現和資源使用之間取得平衡。
+:::
+
+### 資源優化策略
+
+考慮到 32 條指令的限制，以下是一些優化策略：
+
+1. **指令重用**：設計可以被多個狀態機共享的指令序列。
+2. **功能劃分**：將複雜功能分解為多個簡單程序，分配給不同的狀態機。
+3. **跨 PIO 實例設計**：如果一個 PIO 實例的資源不足，考慮使用另一個 PIO 實例。
+
+### 實際應用示例
+
+在我們的 LED 控制器示例中：
+
+- 我們使用了 12 條指令，佔用了 PIO 實例約 37.5% 的指令空間。
+- 這意味著我們還有足夠的空間在同一 PIO 實例中實現其他功能。
+- 例如，我們可以添加另一個程序來控制不同的 LED 模式，或實現其他 I/O 功能。
+
+```python
+剩餘指令空間 = 32 - 當前程序使用的指令數
+剩餘指令空間 = 32 - 12 = 20 條指令
+```
+
+### 擴展性考慮
+
+理解 PIO 架構和資源限制後，我們可以更好地規劃複雜項目：
+
+1. **並行任務**：利用多個狀態機同時執行不同任務。
+2. **資源分配**：在設計初期就考慮指令使用，合理分配資源。
+3. **跨 PIO 協作**：對於更複雜的項目，考慮 PIO0 和 PIO1 的協同工作。
+
+:::tip
+在開發過程中，定期檢查指令使用情況，確保不會超出 32 條指令的限制。如果接近限制，考慮重構代碼或使用另一個 PIO 實例。
+:::
+
+

sidebars.js

@@ -56,7 +56,8 @@ const sidebars = {
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               },
               'micro-controladores/RP2040/mastering-pio-programming',
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