树莓派PICO PIO完整使用方法与步骤详解教程

在树莓派 Pico 这块小巧的开发板上，总能带给我们惊喜。它搭载的 RP2040 芯片内置了 8 个可编程 I/O（PIO）状态机，专门用于实现自定义外设——听起来是不是有点像 FPGA？没错，PIO 确实能让开发者灵活地按需定制硬件接口，而且上手门槛比 FPGA 低得多，是树莓派 Pico PIO 使用中的一大亮点。

可编程 I/O（PIO）是 RP2040 的一项全新硬件设计。简单来说，你可以通过 PIO 创建新的或额外的硬件接口，模拟更多、更丰富、更快的通信协议——这对提升性能、扩展功能来说，是非常实用的手段，也是树莓派 Pico 自定义硬件接口的核心方式。

相比 FPGA，PIO 的优势很明显：FPGA 往往更贵，且需要学习完全不同的编程模式。而 PIO 只需用汇编语言就能搞定，开发者无需适应 FPGA 的思维方式，就能快速实现自定义硬件接口，尤其适合那些需要 PIO 状态机配置的嵌入式项目。

不妨看一个简单的 demo，主要包含一个用汇编写的 .pio 文件、几个 C 文件，以及 CMake 配置文件，最终实现通过串口打印 "hello" 的功能，完美展示 PIO 汇编语言开发流程。

pio 文件（hello.pio）：

.program hello

; Repeatedly get one word of data from the TX FIFO, stalling when the FIFO is
; empty. Write the least significant bit to the OUT pin group.
loop:
    pull
    out pins, 1
    jmp loop

% c-sdk {
static inline void hello_program_init(PIO pio, uint sm, uint offset, uint pin) {
    pio_sm_config c = hello_program_get_default_config(offset);
    // Map the state machine's OUT pin group to one pin, namely the pin
    // parameter to this function.
    sm_config_set_out_pins(&c, pin, 1);
    // Set this pin's GPIO function (connect PIO to the pad)
    pio_gpio_init(pio, pin);
    // Set the pin direction to output at the PIO
    pio_sm_set_consecutive_pindirs(pio, sm, pin, 1, true);
    // Load our configuration, and jump to the start of the program
    pio_sm_init(pio, sm, offset, &c);
    // Set the state machine running
    pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);
}
%}

整个流程大致分三步：

• 将程序加载到 PIO 的指令存储器中；
• 配置 PIO 状态机并运行程序；
• 在状态机运行期间与之交互，实现数据收发。

C 文件（hello.c）：

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pio.h"
// Our assembled program:
#include "hello.pio.h"

int main() {
#ifndef PICO_DEFAULT_LED_PIN
#warning pio/hello_pio example requires a board with a regular LED
#else
    // Choose which PIO instance to use (there are two instances)
    PIO pio = pio0;

    // Our assembled program needs to be loaded into this PIO's instruction
    // memory. This SDK function will find a location (offset) in the
    // instruction memory where there is enough space for our program. We need
    // to remember this location!
    uint offset = pio_add_program(pio, &hello_program);

    // Find a free state machine on our chosen PIO (erroring if there are
    // none). Configure it to run our program, and start it, using the
    // helper function we included in our .pio file.
    uint sm = pio_claim_unused_sm(pio, true);
    hello_program_init(pio, sm, offset, PICO_DEFAULT_LED_PIN);

    // The state machine is now running. Any value we push to its TX FIFO will
    // appear on the LED pin.
    while (true) {
        // Blink
        pio_sm_put_blocking(pio, sm, 1);
        sleep_ms(500);
        // Blonk
        pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0);
        sleep_ms(500);
    }
#endif
}

注意看，C 文件里引用了 hello.pio.h 这个头文件——它和前面的 .pio 文件对应，但 .pio 本身不能直接在 C 中调用。这时就需要 CMake 来牵线搭桥，把 .pio 和 .c 文件关联起来，最终构建出一个可执行文件，这也是树莓派 Pico PIO 编程中常见的构建方式。

CMake 文件（CMakeLists.txt）：

add_executable(hello_pio)
pico_generate_pio_header(hello_pio ${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR}/hello.pio)
target_sources(hello_pio PRIVATE hello.c)
target_link_libraries(hello_pio PRIVATE
    pico_stdlib
    hardware_pio
)
pico_add_extra_outputs(hello_pio)
#add url via pico_set_program_url
example_auto_set_url(hello_pio)

其中关键的魔法就是 pico_generate_pio_header 这条指令，它会将汇编语言写的 .pio 文件自动生成对应的 .h 头文件，供 C 文件调用。配合 Pico 官方 SDK，就能构建出一个串口打印 "hello" 的程序，让开发者轻松上手 PIO 状态机配置。

其他

其实最初注意到这个功能，是在移植 Pico W 板载 Wi-Fi 的过程中——因为需要用到一个叫 cyw43_bus_pio_spi.pio 的 PIO 程序。当时 RT-Thread 那边用的是 Scons 构建系统，所以就先借助 pico-examples 里的 CMake 生成对应的 .h 文件（cyw43_bus_pio_spi.pio.h），然后直接复制过来使用。这个方法虽然有点绕，但胜在简单可靠，也算是 PIO 灵活性的一个现实注脚，体现了树莓派 Pico 自定义硬件接口的实用价值。

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