總體概述

開關矩陣顧名思義就是一個由多個，甚至多組開關組成的陣列，這個陣列的目的就是把片內外設的輸入輸出信號線，按照用戶的意向，通過編程連接到特定的外部引腳上。

開關矩陣可以為LPC800的使用者帶來很多方便和實用的特性：

• 很多用戶都碰到過，設計PCB時芯片引腳的順序與板上的器件不匹配，走線繞來繞去；有了這個開關矩陣，用戶可以按照最佳布線要求，安排MCU的功能引出腳。

• 有些工程師在設計PCB時，由于疏忽或對器件的理解有誤，可能會造成連線錯誤，例如把I2C的SDA和SCL搞反了，把UART的TX和RX搞反了等。遇到這種情況，不必割線、飛線、重新設計PCB，只需要在配置開關矩陣時，在代碼中按照實際的連線編程配置即可，完全不必改動硬件。

• 用戶經(jīng)常會因為產(chǎn)品升級換代，需要重新設計PCB，但只是做少量的修改或擴充，或者僅僅是更換一個功能更強的MCU，而希望盡可能地保持原有的布局和布線走向不變；開關矩陣同樣能滿足用戶的這個需要。

• 通常一款MCU都會內置多個及多種外設，例如LPC824的串行通信外設就包含3個USART、4個I2C和2個SPI，即使不計算其它外設(例如SCT、GPIO等)的引出腳，所有這些串行通信外設的引出腳數(shù)目，就已經(jīng)超過芯片總的引腳數(shù)目。有了開關矩陣，用戶可以按照自己的意愿引出需要的功能，在引腳總數(shù)允許的情況下，可以進行隨意的功能組合。

開關矩陣也有其局限性，模擬功能和電源/地線引腳不能通過開關矩陣重新分配引出腳；模擬功能具有固定的不能被重新分配的引出腳，但用戶可以按照需要關閉引出腳對應的模擬功能，從而騰出該引出腳用于其它數(shù)字功能。

1.1 SWM模型特性LPC800全系列的每個型號都標配SWM開關矩陣。

開關矩陣的功能有兩個：

• 把數(shù)字外設的輸入輸出功能自由地分配到指定的外部引腳。能夠自由分配外部引腳的功能稱為可移動功能。

• 使能或關閉模擬功能或需要特定電氣特性的功能，例如ADC和/或模擬比較器的輸入功能，晶體振蕩器的輸入輸出引腳，具有超快速模式的I2C0功能等。對于這些不能自由分配外部引腳的功能，稱為固定功能。

下面兩張表分別列出了所有可移動功能和固定功能，以及它們在各個系列中的配置情況。* 括號中為LPC81x的信號名稱。

表1 可移動功能一覽表

上表中列出了所有目前LPC800產(chǎn)品系列的可移動功能信號，可以看出這些信號全部是數(shù)字信號。右邊四列分別是各個系列的配置情況，數(shù)字代表所在行的信號在對應的系列中是可移動功能，編號的意義將在1.3節(jié)的應用例程中介紹；格中“-”表示對應的系列沒有這個信號。

I2C0_SDA和I2C0_SCL這兩個信號只在LPC81x中是可移動功能，在其它系列中都是不可移動的。LPC82x和LPC84x的其它I2C模塊，I2C1~3的信號是可移動功能信號。

這里需要注意的是，在LPC81x系列中，I2C0_SDA和I2C0_SCL這兩個信號是可移動的，但只有把它們安排在PIO0_10和PIO0_11引腳時，才能達到超高速(1Mbit/s)，移動到其它的引腳時只能實現(xiàn)最高400 kbit/s的速率。

固定功能信號分兩類：數(shù)字信號和模擬信號；這樣的區(qū)分將涉及到信號間互聯(lián)的策略，本章后面的段落將討論這個策略。* 對應的信號與其它信號復用相同引腳。

表2固定功能一覽表

表2中右邊四列分別是各個系列的配置情況，數(shù)字代表所在行的信號在對應的系列中是否有該功能，編號的意義將在1.3節(jié)的應用例程中介紹；格中“-”表示對應的系列沒有這個信號。

每一個可移動功能，可以被分配使用任意一個引腳。而固定功能只能使用芯片指定的引腳。GPIO的輸出端口也只能使用芯片指定的引腳。

下面是LPC80x的可移動功能和固定功能列表，這個新的子系列的SWM寄存器排列與其它系列略有不同，但不會影響用戶的使用。

表3LPC80x可移動功能一覽表

* 對應的信號與其它信號復用相同引腳? ??表4LPC80x固定功能一覽表

另外，在LPC804中的PLU模塊共有6個輸入端和8個輸出端，它們也是可移動功能，但不能向其它可移動功能那樣可以被任意地分配到任一個引腳，每個PLU的輸入/輸出端分別只能在PINASSIGNFIXED0寄存器中被分配到3個引腳，如下表：

每個PLU的信號在PINASSIGNFIXED0寄存器中占據(jù)2個二進制控制位，具體配置方法請參考用戶手冊。

1.2 SWM模塊的內部構成1.2.1 模塊框圖

下面這個框圖來自LPC800的用戶手冊：

圖1.開關矩陣(SWM)框圖

這個圖全面地描繪了開關矩陣與各個內部外設、連接外部引腳的焊盤、GPIO模塊以及引腳中斷單元之間的關系。這張圖只畫出了一個外部引腳和與之對應的內部結構，其它引腳及內部結構和這張圖基本一樣；以LPC824封裝為HVQFN33的芯片為例，它有29個GPIO引腳，則其內部就有29套上圖這樣的電路。

對于某些不具備模擬功能的引腳，它們的片內結構將不包含上圖中的模擬部分(黃色區(qū)域)。

按照用戶手冊的功能描述，可以把LPC824的最大引腳封裝的開關矩陣，用圖2示意性地展現(xiàn)出來。這張圖清晰地展示了一個完整的開關陣列(矩陣)的結構；此圖只是一個幫助理解和記憶的示意圖，并不代表芯片內部的真實電路。圖中左邊一列的PIO0_0~PIO0_28表示外部引腳，而右邊一列的PIO0_0~PIO0_28表示GPIO模塊的內部輸出端。

圖2.LPC824的HVQFN33封裝內部開關矩陣完整示意圖

下面把SWM的功能分成三個組，分別進行介紹。（注：這里的分組只是為了方便說明，實際在芯片手冊中并沒有此類分組）

1.2.2 固定功能開關組

上圖左側以黃色標注的一組開關，可以稱它為固定功能開關組，每一個開關旁邊，都用黃字標示該開關對應的固定功能信號。這組開關中，在芯片復位后，多數(shù)開關默認為斷開固定功能與外部引腳的連接；但有三個信號特殊，在芯片復位后，SWDIO、SWCLK和RESETN對應的開關將這三個信號連接到外部引腳上。

另外PIO0_1對應的固定功能信號有一個模擬功能(ACMP_I2)和一個數(shù)字功能(CLKIN)；PIO0_6、PIO0_14和PIO0_23，分別對應兩個固定功能模擬信號；這些信號的連接示意圖如下。

? ? ? 圖3.LPC824的復用固定功能模擬信號開關示意圖

▲固定功能開關組：決定需要把某個固定功能信號連接到對應的外部引腳，這組開關是一對一的；以LPC82x為例，表2列出了25個固定功能，其中有四對固定功能信號復用輸入引腳，因此共有25個固定功能開關。（注：LPC82x中最大配置的芯片有25個固定功能，其它芯片中固定功能則少于這個數(shù)目）
模擬的固定功能信號對應的開關是排他性的，當對應的模擬信號連接到外部引腳時，其它任何信號不能再連接到該引腳；數(shù)字的固定功能信號對應的開關，用于把使能的信號連接到對應的引腳，但不排斥其它可移動功能也連接到這個相同的引腳。

? ? ? ? ? ? ? ??圖4.固定功能開關組(模擬信號)示意圖

圖5.固定功能開關組(數(shù)字信號)示意圖

引腳使能寄存器0(PINENABLE0)中的每一位，對應圖4或圖5所示的一個開關。

圖2中部蘭色陰影框起來的部分，可以稱為可移動功能開關組。在這個縱橫矩陣中，每個交叉點都是一個開關；每列(縱向)只能有一個開關閉合；每行(橫向)可以有多個開關閉合；復位后所有開關默認為斷開。

▲可移動功能開關組：該組開關決定需要把某個可移動功能信號連接到哪個外部引腳。表1的第一列的每一個可移動功能，都對應這樣的可移動功能開關組；表1列出了48個可移動功能，也就是說芯片內部實現(xiàn)了48個這樣的開關組。（注：最大配置的芯片有48個可移動功能，其它芯片中可移動功能數(shù)目可參看表1）

圖6.可移動功能開關組(共48組)示意圖A

每個引腳分配寄存器0~11(Pin assign register)都有4個字節(jié)，每個字節(jié)控制上圖所示的一個可移動功能開關組，即每個引腳分配寄存器控制四個可移動功能信號的引腳分配。

圖7.可移動功能開關組(共48組)示意圖B

上圖是圖6的另一種畫法，虛線框起來的一組開關，由引腳分配寄存器的對應字節(jié)控制，任何時候，只能有一個開關閉合或所有開關斷開。

圖2右側以橘紅色標注的一組開關，稱為GPIO開關組。當其中任一開關閉合時，對應的GPIO輸出端口已固定功能開關的狀態(tài)，將有可能連接到外部引腳。當某個開關K所在行中有任意一個開關閉合時，這個開關K會自動斷開，很顯然這樣可以避免GPIO模塊的輸出與可移動功能信號相互沖突。

▲GPIO開關組：該組開關決定是否要把GPIO模塊的某個端口輸出到對應的引腳。

圖8.GPIO開關組示意圖

將GPIO模塊的某個端口的輸出連接到外部引腳的條件有兩個：一是沒有任何作為輸出的可移動功能分配到對應的引腳；二是沒有使能對應的固定功能，例如：如果要輸出GPIO模塊的PIO0_6信號，則應該關閉對應的固定功能ADC_1和VDDCMP。

從圖1可以看出，每個引腳都有兩個內部連接點(焊盤)，分別處理數(shù)字信號和模擬信號；實際使用中，對IOCON(輸入輸出配置)模塊的設置決定數(shù)字焊盤的輸入輸出特性；而使用數(shù)字焊盤還是模擬焊盤與外部引腳相連接，則由開關矩陣決定；當在開關矩陣中使能了某個端口的固定模擬功能，則該外部引腳將使用模擬焊盤；其它情況下，不論引腳是分配了可移動的功能信號，還是固定功能的數(shù)字信號，或是GPIO的輸出端，該外部引腳都是對應數(shù)字焊盤的信號。

1.2.3 開關矩陣的使用特性

從圖2和以上的描述，可以總結出以下一些特性：

■一旦使能某個固定模擬功能時，該功能將占用對應的引腳，所有其它任何信號都不能使用該引腳。

■當使能某個固定數(shù)字功能信號時，其他的可移動數(shù)字信號，也可以被分配使用該引腳，即多個信號線在芯片內部是互通的。例如使能了CLKIN輸入功能后，還可以分配一個或多個SCT的輸入端至相同的引腳，這樣CLKIN信號也同時輸入至SCT中。

■如果某個引腳對應的固定功能未使能時，一個或多個可移動功能可以被分配使用該引腳；當沒有任何可移動功能使用該引腳時，對應的GPIO輸出端口將能夠取得該引腳的控制權。使用GPIO輸出功能時，需要關閉對應的固定功能并且沒有任何可移動功能使用對應的引腳。

■一個或多個可移動功能可以被分配使用相同的引腳，但其中只能有一個可移動輸出功能(包含雙向功能信號)。多個可移動輸入功能可以使用同一個引腳；例如多個SCT的輸入端可以使用同一個引腳，這樣可以用一個外部信號同步SCT的多組定時。

■當可移動輸入功能與某個可移動輸出功能被分配到同一個引腳時，這些輸入功能將接收前述輸出功能的信號。使用者可以用這個特性實現(xiàn)很多環(huán)回的操作；例如把USART的RXD和TXD信號通過此方式連接，實現(xiàn)自循環(huán)。

■不管引腳連接到哪種數(shù)字功能信號(固定數(shù)字功能、可移動功能或GPIO模塊)，GPIO模塊的輸入端都始終與它對應的引腳連接，GPIO輸入寄存器將反映引腳的數(shù)字電平狀態(tài)。

■當任意模擬信號被分配使用外部引腳，該引腳的模擬焊盤被使能，同時數(shù)字焊盤將被斷開。

■當任意數(shù)字輸出信號被分配到外部引腳，該引腳的數(shù)字焊盤被使能。

■只要引腳的數(shù)字焊盤被使能(未斷開)，對應的引腳中斷就會有輸入信號，即該引腳的輸入信號(如果被使能的話)將可能觸發(fā)引腳中斷。

下面這個簡單的流程圖，以另一種方式描述了開關矩陣的用法。圖9.開關矩陣的使用

1.3 開關矩陣的應用例程下面將以兩個例子展示如何使用開關矩陣：

第一個例子是使用SCT在板載LED燈上實現(xiàn)一個呼吸燈(SCT的呼吸燈不是本章重點，將不做注解)，然后通過改變開關矩陣的設置，實現(xiàn)一組LED燈的輪流顯示。

第二個例子是使用LPC824的開關矩陣，把芯片上的兩個USART模塊進行對接，實現(xiàn)一發(fā)一收而不需片外連線。

1.3.1 設置開關矩陣的函數(shù)

開關矩陣的設置是通過一組32位寄存器PINASSIGN[n]，和一個32位寄存器PINENABLE0實現(xiàn)。

寄存器PINENABLE0中的每一位，是對應的固定功能的使能位，即圖4或圖5中的一個開關；表2最右邊三列中的數(shù)字，分別是每個系列中各個固定功能信號使能位在寄存器PINENABLE0中的索引號。

對于PINASSIGN[n] 寄存器組，我們把它相像成一個字節(jié)數(shù)組，每個字節(jié)對應圖6或圖7所示的一個可移動功能開關組，即每個字節(jié)對應一個可移動功能，這個字節(jié)中填寫的內容就是該功能被分配到的引腳編號。表1最右邊三列中的數(shù)字，分別是每個系列中各個可移動功能信號，在上述字節(jié)數(shù)組中的索引號。例如在LPC82x和LPC83x系列中，功能SCT_OUT0的索引號是31，由于每個PINASSIGN寄存器里有四個字節(jié)，所以SCT_OUT0的配置字節(jié)是PINASSIGN[7]的第三個字節(jié)，即位24~31，如下圖：

讀者可以方便地使用下面這個函數(shù)設置可移動功能信號。

代碼片段1.置可移動功能信號引腳的函數(shù)

這個函數(shù)簡化了SWM寄存器的配置，以后會經(jīng)常用到。

1.3.2 設置開關矩陣簡例

■例1：使能I2C0的兩個信號。

在LPC82x和LPC83x中，I2C0的兩個信號是固定功能，需要使用PINENABLE0使能，分別使用P0_11和P0_12兩個引腳：在LPC81x中，I2C0的兩個信號是可移動功能，可以使用上一節(jié)的函數(shù)設置引腳分配。

■例2：使能CLKIN輸入功能，同時把這個信號作為所有SCT的輸入。這個例子演示了把多個可移動功能分配至同一個引腳，同時使能這個引腳的固定功能。

引腳P0_1是固定功能CLKIN對應的引腳，使能CLKIN后P0_1即成為它的輸入引腳，再把所有SCT的輸入端也分配使用這個輸入腳，這樣輸入信號也同時同步地導入至所有SCT的輸入端。

1.3.3 通過開關矩陣實現(xiàn)呼吸燈的輪轉

在LPC824-Lite開發(fā)板上共有八個LED燈，這部分線路圖如下：

從上圖中可以看出，八個LED燈分別連接到MCU的P0_7、13、16、17、19、27、28、18引腳上。

本例程使用LPC824的SCT產(chǎn)生一個PWM波形，當這個PWM信號輸出到某個LED時，對應的LED就會忽明忽暗地顯現(xiàn)呼吸燈的效果。例程中通過開關矩陣(SWM)，在不改變任何SCT配置的情況下，實現(xiàn)輪流逐個點亮LED燈的效果。在此基礎上，通過變換GPIO輸出，實現(xiàn)另一個LED燈的閃爍。

本例程可以讓讀者體會到，在不改變信號源的配置的情況下，僅改變SWM的配置即可改變信號的輸出引腳；作為對比，GPIO的輸出是不能通過開關矩陣改變輸出引腳的，LED燈的閃爍操作則必須通過改變對應的GPIO輸出狀態(tài)，才能改變輸出引腳的狀態(tài)。

下圖是SCT的PWM波形輪流輸出至八個LED燈的示意圖。

圖10.輪流輸出PWM信號至八個LED燈的示意圖

為了實現(xiàn)呼吸燈的效果，即LED燈逐漸地由暗變亮，再逐漸地由亮變暗，需要控制輸出PWM波形的占空比，從100%(全滅)逐漸減少至0%(全亮)，再從0%逐漸增加到100%。

本例程使用SysTick和幾個全局變量控制PWM占空比的改變和時序。

代碼片段2.SysTick中斷處理函數(shù)——改變PWM占空比

SysTick的中斷處理函數(shù)的操作非常簡單，每次進入都會改變輸出占空比；改變的速度快慢是由SysTick的設置決定。

下面代碼就是主程序部分。

代碼片段3.開關矩陣實現(xiàn)呼吸燈輪轉主程序

初始化完所有用到的資源后，在主循環(huán)中有兩個操作，其一是當SCT輸出的占空比達到100%，轉換SCT輸出的外部引腳，實現(xiàn)呼吸燈的輪轉；其二是使用GPIO輸出控制另一個LED燈的閃爍。

數(shù)組LED_Pins[8]，是為了方便程序輪流操作八個LED燈；數(shù)組中存放了每個燈對應的引腳編號。

用GPIO輸出，實現(xiàn)LED燈閃爍的實現(xiàn)代碼如下。

代碼片段4. GPIO實現(xiàn)LED燈閃爍

函數(shù)Toggle_LED_Pins()的作用就是定時變換LED燈的亮或滅，實現(xiàn)閃爍的效果。該函數(shù)以呼吸燈信號的占空比為定時依據(jù)，實現(xiàn)LED循環(huán)閃爍：

上述LED_On和LED_Off是兩個宏定義，直接控制GPIO輸出端口的狀態(tài)：

	#define LED_On(led) LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<(led))
	#define LED_Off(led) LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<(led))

1.3.4 兩個USART模塊對接

這個實例演示了通過開關矩陣實現(xiàn)片內外設模塊的互連，完成互相通信。

LPC800的每個USART模塊都可以實現(xiàn)同步的串行傳輸，即比普通的異步傳輸多一條時鐘信號線。本實例配置USART1作為發(fā)送方，配置USART2作為接收方，需要分別連接三個信號線，如下圖：

通過開關矩陣的配置，上述連接可以在芯片內部直接實現(xiàn)。如果不需要連接其它外設，用戶不必再對開發(fā)板進行任何改動。

下圖是開關矩陣的配置代碼， USART1和USART2的初始化代碼和通信的測試代碼不在此說明。 代碼片段5.為USART1和USART2配置輸入輸出引腳

讀者在運行這個例程時，可以嘗試更改上述06~11行代碼，分別把USART1和USART2的三個信號配置到不同的引腳，然后再在開發(fā)板上把對應的信號短接，以此體會開關矩陣在內部信號互連的特點。

在實際的項目開發(fā)中，用戶可以使用開關矩陣的這一特性，配置本項目中沒有用到的片內模塊，對那些對外通信的模塊實行適當?shù)谋O(jiān)測，在不干擾正常通信并且不增加任何外部硬件的情況下，提供更多的調試跟蹤手段。

1.4注意事項

開關矩陣的使用相當簡單，但有以下幾點需要注意的：

1. 配置開關矩陣時，必須先打開SWM的時鐘，配置完成后，可以關閉SWM的時鐘節(jié)省功耗。

2. 不能把多于一個的輸出功能或雙向功能信號，分配至同一個引腳上。

3. 只要引腳不是模擬功能，不管是輸出功能還是輸入功能，對應的GPIO輸入端始終連接到引腳，這樣通過GPIO端口隨時可以讀出引腳的電平狀態(tài)。同時，如果在SYSCON中選擇了該端口作為中斷觸發(fā)源，該引腳將可能觸發(fā)中斷，尤其當該引腳為數(shù)字輸出功能時，芯片內部的輸出信號也會觸發(fā)中斷。

通過開關矩陣SWM能夠實現(xiàn)一個輸出對多個輸入信號的鏈接，這是通過把輸出信號送到引腳上，再通過引腳的輸入端口“穿回”到芯片內部。如果選擇了模擬信號，那么只有模擬信號送到引腳上，數(shù)字信號不能送到引腳上，否則就會干擾模擬信號。而且這時候數(shù)字輸入的那部分也是關閉的。如果不是最大封裝，那些沒封出來的引腳是可以用來做這種穿回，來實現(xiàn)內部信號互聯(lián)。

END

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