树莓派48/100 - 深入研究WS2812彩灯PIO汇编程序

关于树莓派Pico里的PIO(Programmed I/O)编程，前面写过4篇文章：

初识Pico里的PIO，更高级的办法让小灯闪烁
深入研究PIO中的指令周期
看懂PWM里的汇编代码
用PIO的out指令控制七段数码管

以前的WS2812彩灯程序感觉像天书，根本看不懂，现在可以揭开它神秘的面纱了。

import machine
import utime
import array
import rp2@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT,autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():T1 = 2T2 = 5T3 = 3wrap_target()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]wrap()# 建立状态机，设置输出针的编号
sm = rp2.StateMachine(0, ws2812, freq=8_000_000, sideset_base=machine.Pin(15))
sm.active(1)NUM_LEDS = 30
ar = array.array("I", [0 for _ in range(NUM_LEDS)])while True:for j in range(NUM_LEDS):(r, g, b) = (0, 0, 0)if(j%3 == 0): r = 11if(j%3 == 1): g = 11if(j%3 == 2): b = 11ar[j] = g << 16 | r << 8 | bsm.put(ar, 8)utime.sleep_ms(20)

为了研究pioasm程序的汇编代码，我简化了主程序，只让30个灯依次显示红、绿、蓝三色。

先要了解WS2812特殊的信号机制，与平常的高电位为1、低电位为0的方式不一样，它的协议按高、低电位持续时间的长短来表示0和1，见下图：

如果高电平持续时间小于低电平持续时间，表示0；低电平持续时间长，表示1。持续时间也有严格的范围，以微秒来计。我查到的WS2812B中文手册与国外论坛里看到了指标参数有点差别。

主程序里pioasm状态机的频率为8M赫兹，这样一个汇编指令周期为1/8000000=0.125 us（微秒），看代码里的T1、T2和T3分别为2、5、3，也就对应着0.25 us、0.625 us和0.375 us。

这三个时间的含义如下图：

T0L=T2+T3=1.0us，在指标范围（0.58us ~ 1.6us）内，T1H=T1+T2=0.875，也在指标范围（0.58us ~ 1.6us）内。在T1时间段里永远是高电位，在T3段永远是低电位，T2时间内的电位对应着表示的数据：0或1。

现在可以看汇编代码了，out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT 表示OSR里的数据向左移位，autopull=True, pull_thresh=24 表示自动从OSR里取数，而且只取24位（对应着RGB值）。

out(x, 1) 表示从OSR里移出1位数据，放入X寄存器里，后面的.side(0)设置低电位，[T3-1]补满T3指令周期。

jmp(not_x, “do_zero”)的意思是当X为0时跳到 do_zero 位置的代码，当X不为0时，继续执行下面的语句。

x不为0时，执行到 jmp(“bitloop”) 这一句，准备跳转到程序的最开始，跳转前捎带着完成 side(1)，因为x不为0，所以side(1)，逻辑正确，总延迟时间为T2。

x为0的时候，执行 nop().side(0) 指令，总延迟时间也是T2。

主程序用 array.array(“I”, list) 初始化一个数组，现代计算机的 int 类型一般都是4字节（32位）的整数，用来设置灯组的RGB值（24位）。

sm.put(ar, 8) 用于快速把数组中的所有数据送到状态机的FIFO队列里，第二个参数8表示数据先左移8位，再送到FIFO里。一组彩灯刷新周期里，24位的GRB值（注意顺序是：绿、红、蓝）要一个紧接着一个快速发出去，如果稍有延迟，会被认为是下一组彩灯刷新周期。

我看了一下WS2812B的规格参数，T1=T2=T3=0.375时，也符合各项指标要求，应该也是可以工作的，所以我把程序简化了一下，状态机仍工作在8M Hz频率下，运行完全没问题：

@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT,autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():label("bitloop")out(x, 1)               .side(0)    [2]jmp(not_x, "do_zero")   .side(1)    [2]jmp("bitloop")          .side(1)    [2]label("do_zero")nop()                   .side(0)    [2]

如果让状态机工作在2.7M频率下，那么延迟参数也可以省了：

@rp2.asm_pio(sideset_init=rp2.PIO.OUT_LOW, out_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT,autopull=True, pull_thresh=24)
def ws2812():label("bitloop")out(x, 1)               .side(0)    jmp(not_x, "do_zero")   .side(1)    jmp("bitloop")          .side(1)    label("do_zero")nop()                   .side(0)    sm = rp2.StateMachine(0, ws2812, freq=2_700_000, sideset_base=machine.Pin(15))
sm.active(1)

修改的代码在我的WS2812B工作正常，但不知道在旧款的2812上能否正常工作。

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