## 可编程IO
在这个附录中，我们将看到一些代码，它们看起来与我们在本书其余部分中处理的代码非常不同。那是因为我们必须在低水平上处理事情。大多数时候，MicroPython可以隐藏很多在微控制器上工作的复杂性。
当我们做这样的事情时:
print(“hello”)
..我们不必担心微控制器存储字母的方式，或它们被发送到串行终端的格式，或串行终端的时钟周期的数量。这些都是在后台处理的。然而，当我们谈到可编程输入和输出(PIO)时，我们需要在一个低得多的层次上处理事情。
我们将对PIO进行短暂的游览，并介绍一些高级主题，以便您了解正在发生的事情，并希望了解Pico上的PIO如何比其他微控制器上的选项提供一些真正的优势。然而，理解创建PIO程序所需的所有低级数据操作需要花时间来完全理解，所以如果它看起来有点不透明，不要担心。如果您对处理这种低级编程感兴趣，那么我们将为您提供入门知识，并为您指明继续您的旅程的正确方向。如果你对更高层次的工作更感兴趣，而宁愿把低层次的争吵留给其他人，我们将向你展示如何使用PIO程序。
### 1. 数据输入和数据输出
在本书中，我们讨论了使用MicroPython控制Pico上的引脚的方法。我们可以使用专用的SPI和I2C控制器打开和关闭它们，获取输入，甚至发送数据。然而，如果我们想要连接一个不使用SPI或I2C通信的设备，该怎么办? 如果它有自己的特殊协议呢?
有几种方法可以做到这一点。在大多数MicroPython设备上，你需要做一个叫做“位敲打”的过程，在这个过程中你在MicroPython中实现协议。使用此功能，您可以按正确的顺序打开或关闭引脚以发送数据。
这样做有三个缺点。
* 首先是它的速度很慢。MicroPython在某些方面做得非常好，但它的运行速度不如本地编译的代码快。
* 第二，我们必须把这个和在微控制器上运行的其他代码混在一起。
* 第三，一些时间关键的代码可能很难可靠地实现。快速协议可能需要事情在非常精确的时间发生，而使用MicroPython，我们可以非常精确，但如果你试图每秒传输兆比特，你需要事情每毫秒或可能每几百纳秒发生、这在MicroPython中很难可靠地实现。
Pico对此有一个解决方案:可编程I/O。有一些额外的、真正剥离的处理核心，可以运行简单的程序来控制IO引脚。你不能用MicroPython对这些核心进行编程，你必须为它们使用一种特殊的语言，但你可以从MicroPython中对它们进行编程。让我们来看一个例子：
from rp2 import PIO, StateMachine, asm_pio
from machine import Pin
import utime
@asm_pio(set_init=PIO.OUT_LOW)
def led_quarter_brightness():
set(pins, 0) [2]
set(pins, 1)
@asm_pio(set_init=PIO.OUT_LOW)
def led_half_brightness():
set(pins, 0)
set(pins, 1)
@asm_pio(set_init=PIO.OUT_HIGH)
def led_full_brightness():
set(pins, 1)
sm1 = StateMachine(1, led_quarter_brightness, freq=10000, set_base=Pin(25))
sm2 = StateMachine(2, led_half_brightness, freq=10000, set_base=Pin(25))
sm3 = StateMachine(3, led_full_brightness, freq=10000, set_base=Pin(25))
while(True):
sm1.active(1)
utime.sleep(1)
sm1.active(0)
sm2.active(1)
utime.sleep(1)
sm2.active(0)
sm3.active(1)
utime.sleep(1)
sm3.active(0)
这里有三种方法，看起来都有点奇怪，但将板载LED设置为四分之一、一半和全亮度。它们看起来有点奇怪的原因是它们是用一种特殊的语言为Pico的PIO系统编写的。你大概可以猜到它们是做什么的，以一种类似于我们如何使用PWM的方式快速打开和关闭LED。指令:
* set(pins，0) 关闭GPIO引脚
* set(pins，1) 打开GPIO引脚。
这三个方法的上面都有一个描述符，告诉MicroPython将其视为PIO程序而不是普通方法。这些描述符还可以采用影响程序行为的参数。在这些情况下，我们使用set_init参数来告诉PIO GPIO引脚一开始应该是低还是高。
这些方法中的每一个都是运行在PIO状态机上的小程序，它们都是连续循环的。例如，led_half_brightness会不断地开启和关闭LED，这样它就会有一半的时间关闭，一半的时间打开。led_full_brightness也会类似地循环，但因为唯一的指令是打开LED，这实际上不会改变任何东西。
这里有点不寻常的是led_quarter_brightness。每个PIO指令只需要运行一个时钟周期(可以通过设置频率来改变时钟周期的长度，稍后我们将看到)。但是，我们可以在一条指令后用方括号加一个介于1到31之间的数字，这告诉PIO状态机在运行下一条指令之前暂停这个时钟周期。在led_quarter_brightness中，两个set指令每个需要一个时钟周期，延迟需要两个时钟周期，所以整个循环需要四个时钟周期。在第一行中，set指令需要一个周期，延迟需要两个周期，所以GPIO管脚在这四个周期中的三个周期是关闭的。这使得LED的亮度只有平时的四分之一。
得到PIO程序后，需要将它加载到状态机中。因为我们有三个程序，所以需要将它们加载到三个状态机中(有8个可以使用，编号为0-7)。这是通过这样一行来完成的:
sm1 = StateMachine(1, led_quarter_brightness, freq=10000, set_base=Pin(25))
这里的参数是:
* 状态机编号
* 要加载的PIO程序
* 频率(必须在2000到125000000之间)
* 状态机操作的GPIO管脚
您将在其他程序中看到一些我们在这里不需要的附加参数。一旦创建了状态机，就可以使用带有1(启动)或0(停止)的active方法启动和停止状态机。在循环中，我们循环三种不同的状态机。
### 2. 一个真实的例子
前面的示例有点做作，所以让我们通过一个实际示例来看看使用PIO的方法。WS2812B led(有时也被称为NeoPixels)是一种包含三个led(一个红、一个绿、一个蓝)和一个小微控制器的发光管。它们是由一根数据线控制的，该数据线有一个时间依赖协议，很难对数据进行实时控制。
让我们看看如何用PIO来控制它:
import array, utime
from machine import Pin
import rp2
from rp2 import PIO, StateMachine, asm_pio
# Configure the number of WS2812 LEDs.
NUM_LEDS = 12
@asm_pio(sideset_init=PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=PIO.SHIFT_LEFT, autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():
T1 = 2
T2 = 5
T3 = 3
label("bitloop")
out(x, 1) .side(0) [T3 - 1]
jmp(not_x, "do_zero") .side(1) [T1 - 1]
jmp("bitloop") .side(1) [T2 - 1]
label("do_zero")
nop() .side(0) [T2 - 1]
# Create the StateMachine with the ws2812 program, outputting on Pin(0).
sm = StateMachine(0, ws2812, freq=8000000, sideset_base=Pin(0))
# Start the StateMachine, it will wait for data on its FIFO.
sm.active(1)
数据进入状态机有两个阶段。第一个是称为先进先出(FIFO)的存储器。这是我们的主Python程序发送数据的地方。第二个是输出移位寄存器(OSR)，这是out()指令获取数据的地方。这两个是由pull指令连接的，从FIFO取数据，并把它放在OSR。然而，由于我们的程序设置autopull启用阈值为24，每次我们从OSR读取24位，它将从FIFO重新加载。
指令out(x,1)从OSR获取一位数据，并将其放入名为x的变量中(在PIO中只有两个可用变量:x和y)。
jmp指令告诉代码直接移动到一个特定的标签，但是它可以有一个条件。指令jmp(not_x， "do_zero")告诉代码，如果x的值为0(或者，用逻辑术语来说，如果not_x为真，而not_x与x相反——在pio级别中，0为假，其他任何数字为真)，则移动到do_zero。
有一些jmp的意大利面条，主要是为了确保时间是一致的，因为循环必须采取完全相同的周期的每一次迭代，以保持协议的时间一致。
这里我们忽略的一个方面是.side()。它们与set()类似，但它们与另一条指令同时发生。这意味着out(x,1)在.side(0)将侧集引脚的值设置为0时发生。
对这样一个小程序来说，这是相当多的事情。现在我们已经激活了它，让我们看看如何使用它。以下代码需要在您的程序中位于上述代码之下，以便将数据发送到PIO程序。
# Display a pattern on the LEDs via an array of LED RGB values.
ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])
print("blue")
for j in range(0, 255):
for i in range(NUM_LEDS):
ar[i] = j
sm.put(ar,8)
utime.sleep_ms(10)
print("red")
for j in range(0, 255):
for i in range(NUM_LEDS):
ar[i] = j<<8
sm.put(ar,8)
utime.sleep_ms(10)
print("green")
for j in range(0, 255):
for i in range(NUM_LEDS):
ar[i] = j<<16
sm.put(ar,8)
utime.sleep_ms(10)
print("white")
for j in range(0, 255):
for i in range(NUM_LEDS):
ar[i] = (j<<16) + (j<<8) + j
sm.put(ar,8)
utime.sleep_ms(10)
在这里，我们跟踪一个名为ar的数组，它保存了我们希望led拥有的数据(稍后我们将看看为什么我们这样创建数组)。数组中的每个数字都包含一盏灯上所有三种颜色的数据。格式有点奇怪，因为它是二进制的。使用PIO的一个问题是，您经常需要处理单个数据位。每个数字无论是1还是0，以及用这种方式构建的数字，十进制中的2(作为我们所有的正常数字)是10的二进制。以10为基数的3是二进制的11。二进制的8位中最大的数字是11111111，或以10为基数的255。我们不会在这里深入了解二进制，但如果你想了解更多，你可以尝试一下二进制英雄项目:hsmag.cc/binaryhero。
更让人困惑的是，我们实际上是在一个数字中存储了三个数字。这是因为在MicroPython中，整数存储为32位，但每个数字只需要8位。因为我们只需要24位，所以最后会有一些空闲空间，不过没关系。
前8位是蓝色值，后8位是红色，最后8位是绿色。8位存储的最大数字是255，所以每个LED有255个亮度级别。我们可以使用位移操作符<<来实现这一点。这将在一个数字的末尾添加一定数量的0，所以如果我们想让LED处于红色、绿色和蓝色的一级亮度，我们从每个值为1开始，然后将它们移动适当的比特数。
对于绿色，我们有:
1 <<16 = 10000000000000000
对于红色，我们有:
1 << 8 = 100000000
对于蓝色，我们根本不需要移位位，所以只有1。如果我们把所有这些加在一起，我们得到如下(如果我们把前面的位加起来，使它是一个24位的数字):
000000010000000100000001
最右边的8位是蓝色的，后面的8位是红色的，最左边的8位是绿色的。
最后一行可能有点让人困惑:
ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])
这将创建一个数组，其中I作为第一个值，然后为每个LED设置一个0。在开头有一个I的原因是，它告诉MicroPython我们正在使用一系列32位值。然而，对于每个值，我们只希望将其中的24位发送到PIO，因此我们告诉put命令删除8位:
sm.put(ar,8)
### 3. 所有的指令
用于PIO状态机的语言非常稀疏，因此只有少量的指令。除了我们已经看过的，你还可以使用:
* In( ) -在状态机中移动1到32位(类似于out()，但相反)。Push() -将数据发送到连接状态机和主机的内存中MicroPython程序。
* pull( ) -从连接状态机和主MicroPython程序的内存块中获取数据。这里我们没有使用它，因为在我们的程序中包含了autopull=True，当我们使用out()时，它会自动发生。
* Mov( ) -在两个位置之间移动数据(例如x和y变量)。
* Irq( )——控制中断。如果您需要在程序的MicroPython端触发一个特定的东西来运行，则使用这些。
* wait( ) -暂停，直到某件事发生(例如IO引脚改变为设定值或中断发生)。
**WS2812B库**
虽然试验WS2812B PIO程序很有用，但如果您想在实际项目中使用它，那么使用它可能更有用
一个汇集了所有信息的库。在hsmag.cc/pico-ws2812b有一个这样的例子。这让你创建一个对象来保存所有的LED颜色数据，然后使用set_pixel()和fill()等方法来改变数据。有关如何使用它的更多细节，请查看该存储库的示例文件夹。
尽管可能的指令数量很少，但可以实现广泛的通信协议。大多数指令是用来移动数据的
以某种形式。如果需要以任何特定的方式准备数据，比如操纵希望led的颜色，这应该在主MicroPython程序中完成，而不是在PIO程序中。
你可以在Pico Python SDK文档的Raspberry Pi Pico上找到更多关于如何使用这些，以及MicroPython中PIO的全部选项的信息，以及在RP2040数据手册中关于PIO如何工作的完整参考。这两个版本都可以在rptl.io/rp2040-get-started中找到。