PPI和DPPI的功能及应用说明 2024-01-16 Gao Jun, Nordic Semiconductor

1. 什么是PPI和DPPI？

• PPI，英文全称是Programmable Peripheral Interconnect；
• DPPI，英文全称是Distributed Programmable Peripheral Interconnect。

PPI是nRF52系列芯片的一个外设，从nRF53系列开始，使用DPPI代替了PPI。PPI和DPPI的设计目的是相同的，都提供了一种机制，让某个外设的事件可以触发另一个外设的任务，让一个外设直接控制另一个外设成为可能，从而减少了CPU的参与，和DMA有异曲同工之效。比如，我们可以用timer定时器去触发一个ADC采样，这样就不需要CPU执行指令去触发采样了。所谓编程（Programmable），就是指可以通过配置寄存器，将不同外设的事件和任务建立关联。

2. 什么是事件（event）和任务（task）？

说到PPI和DPPI就绕不过事件和任务。那么这个事件和任务又是什么呢？学习过MCU的同学都知道外设（Peripheral）都会有与之对应的控制寄存器和状态寄存器，而我们Nordic的控制寄存器和状态寄存器的设计有些与众不同。我们将控制寄存器的控制逻辑做了细分，将每一个控制逻辑都具体成了一个任务，一个任务就对应一个任务寄存器。同样，将状态寄存器的状态也做了细分，将每一个不同的状态都具体成了一个事件，一个事件就对应一个事件寄存器。

以UARTE模块为例，它的task和event寄存器如下：

3. 什么是通道（Channel）？

通道可以想象成一个管道，管道的输入端关联event寄存器，管道的输出端关联task寄存器。管道上有开关，当开关被打开时（channel enable），event寄存器如果有信号，就能触发管道另一头的task寄存器，从而触发task寄存器对应的控制逻辑。PPI和DPPI的主要区别是：通道与event寄存器和task寄存器建立关联的机制不同。PPI的机制决定了一个通道只能关联一个event和一个task，即只能一对一（一个event触发一个task），利用fork机制可以做到一对二（一个event触发两个task）。DPPI的一个通道可以和多个task和event做关联，能做到多对多（多个event触发多个task）。另外，通道还有自己的管理机制，还可以分组管理。PPI和DPPI的通道管理机制是相同的。

4.PPI框图

• EEP是event end point的缩写；TEP是task end point的缩写。每一个通道都有自己的EEP和TEP寄存器。

• CH[i].EEP是一个配置寄存器，负责存储event register 地址，使外设的event与通道i（CH[i]）建立关联。

• CH[i].TEP也是一个配置寄存器，负责存储task register 地址，使外设的task与通道i （CH[i]）建立关联。

• PPI允许一个event或task和多个通道建立关联。即不同的通道里可以写入同一个event或task地址。但一个通道只能和一个event建立关联，因为某个通道i对应的CH[i].EEP里只能写入一个地址。Task比较特殊，因为有FORK[i].TEP的存在，所以CH[i].TEP和FORK[i].TEP可以写入两个不同的task register地址，实现一对二。FORK功能只存在于PPI，DPPI没有FORK功能。

• 接入同一个通道的event和task可以形成通路，为event触发task逻辑创造条件。

• CHEN， CHENSET， CHENCLR和CHG[m]则是用来管理这些通道（enable and disable the channels）是否使能。

• 0-19通道可以任意配置；20-31通道的task和event是固定的，不能配置。

• PPI的EEP和TEP寄存器：

CH[n].EEP (n=0..19)

Address offset: 0x510 + (n × 0x8)
Channel n event endpoint

CH[n].TEP (n=0..19)

Address offset: 0x514 + (n × 0x8)
Channel n task endpoint

FORK[n].TEP (n=0..19, 20..31)

Address offset: 0x910 + (n × 0x4)
Channel n task endpoint

5.DPPI框图

• 所有外围设备都含有一系列的任务订阅寄存器和事件发布寄存器（每个task寄存器对应一个订阅（ subscribe）寄存器；每个event寄存器对应一个发布（publish）寄存器）。（订阅和发布寄存器取代了PPI中EEP和TEP寄存器的功能）
• 发布和订阅的对象是通道（channel）
• 同一个通道可以被不同的事件发布，被不同的任务订阅，达到多对多的效果。
• 以下是ADC模块的task，event，subscribe task，publish event寄存器。

6. 通道管理和组（group）

• PPI和DPPI对通道的管理方式基本相同

• 通过通道管理寄存器，每一个通道可以被单独使能或是禁用，相关寄存器如下：

CHENSET

Address offset: 0x504
Channel enable set register

Note: Read: Reads value of CH[i] field in CHEN register

CHENCLR

Address offset: 0x508
Channel enable clear register

Note: Read: Reads value of CH[i] field in CHEN register

• CHENSET和CHENCLR寄存器用于设置通道，如果要读取通道的状态，需要读取CHEN寄存器。

CHEN

Address offset: 0x500
Channel enable register

• 不同的通道可以分配到一个组里。一共支持6个组。CHG[n](n=0..5)寄存器有32bit，每一个bit位对应一个通道号，如果相应的bit位被置“1”，那么这个通道就被分配到了当前的组中。

CHG[n] (n=0..5)

Address offset: 0x800 + (n x 0x4)
Channel group n

Note: Writes to this register are ignored if either SUBSCRIBE_CHG[n].EN or SUBSCRIBE_CHG[n].DIS are enabled

• 每一个组都有两个task寄存器，一个task（TASKS_CHG[n].EN）控制组使能，另一个task （TASKS_CHG[n].DIS）控制组禁用。有了task，那么它们也可以通过PPI/DPPI的机制，被别的event触发。当TASKS_CHG[n].EN被触发，同一组内所有的通道被使能；当TASKS_CHG[n].DIS被触发，同一组内所有的通道被禁用。

TASKS_CHG[n].EN (n=0..5)

Address offset: 0x000 + (n x 0x8)
Enable channel group n

TASKS_CHG[n].DIS (n=0..5)

Address offset: 0x004 + (n x 0x8)
Disable channel group n

7. PPI和DPPI的驱动资源及使用流程

• PPI 驱动位于modules\hal\nordic\nrfx\drivers\src\nrfx_ppi.c；DPPI驱动位于modules\hal\nordic\nrfx\drivers\src\nrfx_dppi.c
• 为了兼容PPI和DPPI，还设计了辅助层（Helper layer：modules\hal\nordic\nrfx\helpers\nrfx_gppi.h） 提供 PPI 和 DPPI 驱动的通用功能。辅助层直接调用PPI和DPPI的驱动程序，使用辅助层时，需要考虑到PPI 和 DPPI 接口在应用时的明显差异。
• PPI和DPPI的使用流程相同，都很简单：

1）分配（申请）通道

2）对于PPI，通道两端分别关联task和event；对于DPPI，task（Subscribe）和event（Publish）端关联通道

3）使能通道

8. PPI和DPPI配置代码示例

1）Timer COMPARE0 EVENT产生的时候触发ADC采样。按下button1启动timer，端口输出低电平，按下button2停止timer，端口输出高电平。下面列举了PPI多通道，以及FORK使用的配置代码。

status = nrfx_ppi_channel_alloc(&m_timer_saadc_ppi_channel);
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);
status = nrfx_ppi_channel_assign(m_timer_saadc_ppi_channel, 
            nrfx_timer_event_address_get(&m_sample_timer, NRF_TIMER_EVENT_COMPARE0),
            nrf_saadc_task_address_get(NRF_SAADC, NRF_SAADC_TASK_SAMPLE));
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);

//button1 start timer and output low
status = nrfx_ppi_channel_alloc(&m_button0_timer_ppi_channel);
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);
status = nrfx_ppi_channel_assign(m_button0_timer_ppi_channel, 
              nrfx_gpiote_in_event_addr_get(INPUT_PIN_0),
              nrf_timer_task_address_get(m_sample_timer.p_reg, NRF_TIMER_TASK_START));
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);
status = nrfx_ppi_channel_fork_assign(m_button0_timer_ppi_channel,
              nrfx_gpiote_clr_task_addr_get(OUTPUT_PIN));
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS); 

//button2 stop timer and output high
  status = nrfx_ppi_channel_alloc(&m_button1_timer_ppi_channel);
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);
status = nrfx_ppi_channel_assign(m_button1_timer_ppi_channel, 
              nrfx_gpiote_in_event_addr_get(INPUT_PIN_1),
              nrf_timer_task_address_get(m_sample_timer.p_reg, NRF_TIMER_TASK_STOP));
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);
status = nrfx_ppi_channel_fork_assign(m_button1_timer_ppi_channel,
              nrfx_gpiote_set_task_addr_get(OUTPUT_PIN));
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS); 

2）Timer COMPARE0 EVENT产生的时候触发ADC采样。按下button1启动timer，端口输出低电平，按下button2停止timer，端口输出高电平。下面列举了DPPI多通道使用的配置代码。

status = nrfx_dppi_channel_alloc(&m_timer_saadc_dppi_channel);
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);
nrf_timer_publish_set(m_sample_timer.p_reg, NRF_TIMER_EVENT_COMPARE0,
    m_timer_saadc_dppi_channel);
nrf_saadc_subscribe_set(NRF_SAADC, NRF_SAADC_TASK_SAMPLE, m_timer_saadc_dppi_channel);

//button1 start timer and output low
status = nrfx_dppi_channel_alloc(&m_button0_timer_dppi_channel);
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);
nrf_gpiote_publish_set(NRF_GPIOTE, nrfx_gpiote_in_event_get(INPUT_PIN_0),
    m_button0_timer_dppi_channel);
nrf_gpiote_subscribe_set(NRF_GPIOTE,nrfx_gpiote_clr_task_addr_get(OUTPUT_PIN),m_button0_timer_dppi_channel);			
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);
nrf_timer_subscribe_set(m_sample_timer.p_reg, NRF_TIMER_TASK_START, m_button0_timer_dppi_channel);
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);

//button2 stop timer and output high
status = nrfx_dppi_channel_alloc(&m_button1_timer_dppi_channel);
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);
nrf_gpiote_publish_set(NRF_GPIOTE, nrfx_gpiote_in_event_get(INPUT_PIN_1),
    m_button1_timer_dppi_channel);
nrf_gpiote_subscribe_set(NRF_GPIOTE,nrfx_gpiote_set_task_addr_get(OUTPUT_PIN),m_button1_timer_dppi_channel);			
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);
nrf_timer_subscribe_set(m_sample_timer.p_reg, NRF_TIMER_TASK_STOP, m_button1_timer_dppi_channel);
NRFX_ASSERT(status == NRFX_SUCCESS);

3）组（group）的使用代码示例。使用timer，gpiote，dppi输出固定周期的波形。只有在COMPARE2 EVENT发生的时候，将输出电平置高；在COMPARE3 EVENT发生的时候，将输出电平置低。第一次产生COMPARE1 EVENT的时候，触发了timer clear的task， timer重新开始计数，那么COMPARE0 EVENT就不会发生了。 COMPARE1 EVENT还触发了group disable task。那么，下一个COMPARE1 EVENT就不会触发timer clear task了，因为这个channel被disable了。 COMPARE1 EVENT发生后， COMPARE0 EVENT会接着发生。在COMPARE0 EVENT产生的中断处理里面，通过group的控制函数，又将channel使能了。那么，COMPARE1 EVENT，又能触发了timer clear task，循环上面的动作。输出波形如下：

• Timer设置：

#define PERIOD       (20*16000)   //compare0  (duty=25%)
#define SHORT_PERIOD (10*16000)   //compare1 （duty=50%）
#define OFFSET       1            //compare2
#define PULSE_WIDTH  (5*16000)    //compare3
/*
//2 3 1 2 3 1 0 2 3 1 2 3 1 0
  __   __       __   __       __   __       __   __   
 _| |__| |______| |__| |______| |__| |______| |__| |______
  2 3  1 3   1  0 3  1 3   1  0 3  1 3   1  0 3  1 3  1  0
       2        2    2        2    2        2    2
*/

static void timer_init(void)
{
    nrfx_timer_config_t timer_config = NRFX_TIMER_DEFAULT_CONFIG;
    timer_config.frequency = NRF_TIMER_FREQ_125kHz;
    timer_config.bit_width = NRF_TIMER_BIT_WIDTH_32;
    nrfx_timer_init(&timer, &timer_config, timer_handler);
    nrfx_timer_compare(&timer, NRF_TIMER_CC_CHANNEL0, PERIOD, true);
    nrf_timer_shorts_enable(timer.p_reg, NRF_TIMER_SHORT_COMPARE0_CLEAR_MASK);
    nrfx_timer_compare(&timer, NRF_TIMER_CC_CHANNEL1, SHORT_PERIOD, true);
    nrfx_timer_compare(&timer, NRF_TIMER_CC_CHANNEL2, OFFSET, false);
    nrfx_timer_compare(&timer, NRF_TIMER_CC_CHANNEL3, OFFSET + PULSE_WIDTH, false);

    IRQ_CONNECT(TIMER0_IRQn, NRFX_TIMER_DEFAULT_CONFIG_IRQ_PRIORITY - 1,
        nrfx_timer_0_irq_handler, NULL, 0);

    configure_one_time_clear();
    nrfx_timer_enable(&timer);

}

//NRF_TIMER_EVENT_COMPARE1触发中断，每次会发生；
//触发task，则是一次不允许，一次允许。触发task的时候，会清timer
//timer清了COMPARE0就不会发生了。下次，task不触发时，compare0就会发生，然后使能task触发。

static void timer_handler(nrf_timer_event_t event_type, void *p_context)
{
  if (event_type == NRF_TIMER_EVENT_COMPARE0) {
      printk("0");
      //group里面只有一个通道的情况下，下面两个函数的功能是等价的。
      nrfx_dppi_group_enable(group_ch);
      //nrfx_dppi_channel_enable(channel_ch);
  }
  if (event_type == NRF_TIMER_EVENT_COMPARE1) {
      printk("1");
  }
}

• DPPI分配组，分配通道，关联通道配置COMPARE1 EVENT触发timer clear，加入组，配置COMPARE1 EVENT触发group disable task。然后使能通道。

static void configure_one_time_clear(void)
{
  nrfx_dppi_group_alloc(&group_ch);
  nrfx_dppi_channel_alloc(&channel_ch);
  nrf_timer_publish_set(timer.p_reg, NRF_TIMER_EVENT_COMPARE1, channel_ch);
  nrf_timer_subscribe_set(timer.p_reg, NRF_TIMER_TASK_CLEAR, channel_ch);
  nrfx_dppi_channel_include_in_group(channel_ch, group_ch);

  //影响下次event触发task，把通道disable了。
  nrf_dppi_subscribe_set(NRF_DPPIC, nrf_dppi_group_disable_task_get(group_ch), channel_ch);
  nrfx_dppi_channel_enable(channel_ch);
}

• DPPI分配通道，配置COMPARE2 EVENT触发output ‘H’，使能通道；DPPI分配通道，配置COMPARE3 EVENT触发output ‘L’，使能通道。

nrfx_gpiote_out_init(OUTPUT_PIN, &out_config);
nrfx_gpiote_out_task_enable(OUTPUT_PIN);

uint8_t channel;
nrfx_dppi_channel_alloc(&channel);
nrf_timer_publish_set(timer.p_reg, NRF_TIMER_EVENT_COMPARE2, channel);
nrf_gpiote_subscribe_set(
        NRF_GPIOTE,
        nrfx_gpiote_set_task_get(OUTPUT_PIN),
        channel);
nrfx_dppi_channel_enable(channel);

nrfx_dppi_channel_alloc(&channel);
nrf_timer_publish_set(timer.p_reg, NRF_TIMER_EVENT_COMPARE3, channel);
nrf_gpiote_subscribe_set(
        NRF_GPIOTE,
        nrfx_gpiote_clr_task_get(OUTPUT_PIN),
        channel);
nrfx_dppi_channel_enable(channel);

上述完整代码可在百度网盘下载

• PPI&DPPI-sample.rar →