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四个状态机执行共享指令内存的程序。系统软件将内存加载至该区域，配置状态机和 IO 映射，然后将状态机设置为运行状态。PIO 程序可以来自多个地方： 可以由用户直接汇编，可以来自 PIO 库，或者由用户的软件生成。
之后，状态机就会自动运行，系统软件通过 DMA、中断和控制寄存器与之交互，就像操作 RP2040 上的其他外设一样。 对于更复杂的接口，PIO 提供了一个短小灵活的指令集，可以让系统软件更深入地操作状态机的控制流。
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| 图39. 状态机概览。数据通过一对 FIFO 流入流出。状态机执行一段程序，在这些 FIFO、一系列内部寄存器和管脚之间传输数据。时钟分割器可以按照常数因子降低状态机的执行速度。 |
PIO 状态机执行短小的二进制程序。
PIO 库提供了像 UART、SPI 或 I2C 等通用接口的程序，因此许多情况下不需要自己编写 PIO 程序。但是，直接对 PIO 编程可以带来更大的灵活性， 支持许多连设计者都没有考虑供的接口。
PIO 一共有九条指令：JMP、WAIT、IN、OUT、PUSH、PULL、MOV、IRQ 和 SET。关于每条指令的详细信息请参见3.4节。
尽管 PIO 只有九条指令，手工编写二进制 PIO 程序也非常困难。PIO 汇编是用文本形式描述的 PIO 程序，每条命令对应于二进制程序中的一条指令。 下面是一个 PIO 汇编程序的例子：
7 .program squarewave
8 set pindirs, 1 ; Set pin to output
9 again:
10 set pins, 1 [1] ; Drive pin high and then delay for one cycle
11 set pins, 0 ; Drive pin low
12 jmp again ; Set PC to label `again`
SDK 自带了 PIO 汇编器，名为 pioasm。该程序接受一个 PIO 汇编程序的文本文件，其中可以包含多个程序，并输出汇编后的程序。
这些汇编后的程序以 C 头文件的形式输出，头文件中包含了常量数组。更多信息请参考3.3节。
在每个时钟周期，每个状态机获取、解码并执行一条指令。每个指令精确地占用一个时钟周期，除非它显式地暂停执行（如 WAIT 指令）。
每条指令还可以带有最多 31 个周期的延时，推迟下一条指令的执行，用于编写精确时钟周期的程序。
程序计数器 PC 指向当前周期正在执行的指令的内存地址。一般而言，PC 每个周期加一，到达指令内存边界时自动返回开头。
跳转指令是一个例外，它显式提供了 PC 的下一个值。
上一节的示例汇编程序（开头为 .program squarewave）演示了这两个概念。它在一个 GPIO 引脚上产生占空比为 50% 的方波，每个周期占用四个时钟周期。
通过其他手段（如 side-set）可以将周期缩短至两个时钟周期。
注意：Side-set 可以让状态机在执行一条指令时，顺便设置少量 GPIO 的状态。详细描述请参见3.5.1节。
系统对指令内存拥有只写的权限，用于加载程序：
34 // Load the assembled program directly into the PIO's instruction memory.
35 // Each PIO instance has a 32-slot instruction memory, which all 4 state
36 // machines can see. The system has write-only access.
37 for (int i = 0; i < count_of(squarewave_program_instructions); ++i)
38 pio->instr_mem[i] = squarewave_program_instructions[i];
时钟分割器可以将状态机的执行速度降低一个常数因子，该因子用一个 16.8 的定点分数表示。在上述示例中，如果采用的时钟分割因子为 2.5， 那么方波的周期就是 4 x 2.5 = 10 个时钟周期。这在需要设置 UART 等串行接口的精确波特率时非常有用。
42 // Configure state machine 0 to run at sysclk/2.5. The state machines can
43 // run as fast as one instruction per clock cycle, but we can scale their
44 // speed down uniformly to meet some precise frequency target, e.g. for a
45 // UART baud rate. This register has 16 integer divisor bits and 8
46 // fractional divisor bits.
47 pio->sm[0].clkdiv = (uint32_t) (2.5f * (1 << 16));
上述代码片段所在的整个程序可以在 GPIO 0 （或任何管脚）上产生一个 12.5MHz 的方波。我们还可以使用 WAIT PIN 指令根据管脚状态等待一定时间，
或使用 JMP PIN 指令根据管脚状态跳转，实现根据管脚状态改变控制流。
51 // There are five pin mapping groups (out, in, set, side-set, jmp pin)
52 // which are used by different instructions or in different circumstances.
53 // Here we're just using SET instructions. Configure state machine 0 SETs
54 // to affect GPIO 0 only; then configure GPIO0 to be controlled by PIO0,
55 // as opposed to e.g. the processors.
56 pio->sm[0].pinctrl =
57 (1 << PIO_SM0_PINCTRL_SET_COUNT_LSB) |
58 (0 << PIO_SM0_PINCTRL_SET_BASE_LSB);
59 gpio_set_function(0, GPIO_FUNC_PIO0);
系统可以通过 CTRL 寄存器在任意时间启动或停止任意状态机。多个状态机可以同时启动，而 PIO 的确定性能保证它们之间的完美同步。
63 // Set the state machine running. The PIO CTRL register is global within a
64 // PIO instance, so you can start/stop multiple state machines
65 // simultaneously. We're using the register's hardware atomic set alias to
66 // make one bit high without doing a read-modify-write on the register.
67 hw_set_bits(&pio->ctrl, 1 << (PIO_CTRL_SM_ENABLE_LSB + 0));
大多数指令都来自指令内存，但指令也可以来自其他地方，并且可以混合使用：
SMx INSTR）的指令会立即执行，中断其他指令的执行。例如，写入 SMx INSTR 的一条 JMP 指令会让状态机立即从另一个位置开始执行。MOV EXEC 指令，可以从寄存器执行指令。OUT EXEC 指令，可以从输出移位寄存器中执行指令。后面几种方式非常灵活：指令可以嵌入到传递给 FIFO 的数据流中。I2C 的示例就在正常的数据中嵌入了 STOP 和 RESTART 等的条件。对于 MOV 和 OUT EXEC 来说，
MOV / OUT 本身需要一个时钟周期，然后再执行指定的指令。
每个状态机都拥有几个内部寄存器。这些寄存器用于保存输入或输出数据，以及循环变量等临时数据。
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| 图40. 输出移位寄存器（OSR）。数据每次可以并行输出 1 ~ 32 比特，未使用的数据由一个双方向移位器负责回收。当 OSR 寄存器为空时，它会从 TX FIFO 中加载数据。 |
输出移位寄存器（OSR）负责存储并在 TX FIFO 和管脚（或其他目的地，如可擦写寄存器）之间移位输出数据。
PULL 指令：从 TX FIFO 中移除一个 32 位字并置于 OSR 中。OUT 指令将 OSR 中的数据移位至其他目的地，一次可移位 1 ~ 32 比特。OUT 指令时，自动从 FIFO 加载数据到 OSR。例如，以每两个时钟周期一个字节的速率，将数据通过 FIFO 传输到管脚：
1 .program pull_example1
2 loop:
3 out pins, 8
4 public entry_point:
5 pull
6 out pins, 8 [1]
7 out pins, 8 [1]
8 out pins, 8
9 jmp loop
在绝大部分情况下，可以通过自动加载（autopull，参见3.5.4节）功能，当状态机试图在空的 OSR 上执行 OUT 指令时，由硬件自动填充 OSR。这样做有两个好处：
配置好自动加载后，上述程序可以简化如下，其行为完全相同：
1 .program pull_example2
2
3 loop:
4 out pins, 8
5 public entry_point:
6 jmp loop
通过程序折返功能（program wrapping，参见3.5.2节）还可以进一步简化程序，实现每个系统时钟周期输出 1 字节。
1 .program pull_example3
2
3 public entry_point:
4 .wrap_target
5 out pins, 8 [1]
6 .wrap
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| 图41. 输入移位寄存器（ISR）。数据每次进入 1 ~ 32 比特，当前内容会左移或右移，以腾出空间。当寄存器满时，内容会被写入 RX FIFO。 |
IN 指令每次将 1 ~ 32 比特的数据移位进寄存器。PUSH 指令将 ISR 的内容写入 RX FIFO。IN 指令时自动将 ISR 的内容推出。状态机会记录总共有多少比特通过 OUT 指令移出了 OSR 寄存器，以及通过 IN 指令移入了 ISR。这个信息由一对硬件计数器负责跟踪，即输出移位计数器和输入移位计数器，
每个计数器可以保存数字 0 到 32（包含 0 和 32）。在每次移位操作后，相应的计数器会增加移位数量，最多增加 32（等于移位寄存器的宽度）。
可以对状态机进行配置，在某个计数器达到一定阈值后自动执行下列某个动作：
在 PIO 复位时，或在 CTRL_SM_RESTART 时，输入一位计数器被清为 0（表示没有任何比特被移入），输出移位寄存器被初始化为 32（表示全空，没有任何等待移出的比特）。
影响移位计数器的其他指令包括：
PULL 会将输出移位计数器清为 0PUSH 会将输入移位计数器清为 0MOV OSR, ... （即任何写入 OSR 的 MOV 指令）会将输出移位计数器清为 0MOV ISR, ... （即任何写入 ISR 的 MOV 指令）会将输入移位计数器清为 0OUT ISR, count 将输入移位计数器设置为 count
每个状态机有两个 32 位内部可擦写计数器（scratch registor），名为 X 和 Y。
它们可以用于：
IN/OUT/SET/MOV指令的源或目的地例如，假设我们要为比特 "1" 产生一个长脉冲，为比特 "0" 产生一个短脉冲：
1 .program ws2812_led
2
3 public entry_point:
4 pull
5 set x, 23 ; Loop over 24 bits
6 bitloop:
7 set pins, 1 ; Drive pin high
8 out y, 1 [5] ; Shift 1 bit out, and write it to y
9 jmp !y skip ; Skip the extra delay if the bit was 0
10 nop [5]
11 skip:
12 set pins, 0 [5]
13 jmp x-- bitloop ; Jump if x nonzero, and decrement x
14 jmp entry_point
这里 X 是循环计数器，Y 是临时变量，根据来自 OSR 的一个比特进行分支。该程序可以用来驱动 WS2812 LED 接口，不过该程序还可以写得更紧凑（最少只需要三条指令）。
通过 MOV 指令，可擦写寄存器可以用来保存或恢复移位寄存器，可以用于重复移出同样的序列等情况。
注意：更紧凑的 WS2812 示例（共四条指令）参见3.6.2节。
每个状态机都拥有一对 4 字深的 FIFO，一个用于将数据从系统传输到状态机（TX），另一个用于将数据从状态机传输至系统（RX）。TX FIFO 由总线管理者（如处理器或 DMA 控制器）负责写入， 而 RX FIFO 由状态机写入。FIFO 解耦合了 PIO 状态机和系统总线之间的时序，让状态机在没有处理器介入的情况下工作更长时间。
FIFO 还会生成数据请求信号（DREQ），系统的 DMA 控制器可以借助此信号，根据 RX FIFO 中的数据情况，或 TX FIFO 中的空闲空间情况，采取适当的读写节奏。 因此，处理器可以设置更长的事务，比如允许在没有处理器介入的情况下传输几 K 字节的数据。
通常，一个状态机只需要单方向传递数据。此时，SHIFTCTRL_FJOIN 选项可以将两个 FIFO合并成一个 8 字深的单向 FIFO。这个特性可以用于高带宽的接口，如 DPI。
状态机可能由于多种原因暂停执行：
WAIT 指令的条件未满足PULL 指令遇到 TX FIFO 为空的情况，或阻塞的 PUSH 指令遇到 RX FIFO 为满的情况IRQ WAIT 指令设置了 IRQ 标志，等待其清空OUT 指令遇到启用了自动加载，OSR 达到移位阈值，且 TX FIFO 为空的情况IN 指令遇到启用了自动推出，ISR 达到以为预制，且 RX FIFO 为满的情况此时，程序计数器不会增加，状态机会在下一个周期继续执行当前指令。如果指令带有一定数量的延时，那么在暂停执行状态解除之前，延时不会被执行。
注意：Side-set（参见3.5.1节）不受暂停执行的影响，永远发生在所属指令的第一个时钟周期。
PIO 可以控制最多 32 个 GPIO 的输出电平和方向，以及观察它们的输入电平。在每个系统时钟周期，每个状态机可以进行零个、一个或两个以下操作：
OUT 或 SET 指令改变某些 GPIO 的电平或方向，或通过一条 IN 指令读取某些 GPIO每个操作都可以指定连续的一段 GPIO 管脚，管脚数量和起始管脚由每个状态机的 PINCTRL 寄存器控制。共可以设定四个范围，分别用于 OUT、SET、
IN 和 side-set 操作。每个范围可以覆盖给定 PIO 块内的任意数量的 GPIO （在 RP2040 上为 30 个用户定义 GPIO），而且这些范围之间可以重叠。
对于每次 GPIO 输出（电平和方向分别考虑），PIO 会考虑该时钟周期内发生的所有 8 个写入操作，并从编号最大的状态机开始应用写入操作。
如果同一个状态机在同一个 GPIO 上同时执行 SET/OUT 和 side-set 操作，则采用 side-set。如果没有任何状态机写入某个 GPIO 输出，
则其值保持前一个周期的值不变。
一般而言，每个状态机的输出被映射到不同的 GPIO 组上，从而实现某种并行接口。
IRQ 标志是可以由状态机或系统进行设置或清除的状态位。共有 8 个标志，全部对所有状态机可见，而且还可以通过 IRQ0_INTE 和 IRQ1_INTE 控制寄存器，
将 IRQ 标志的低 4 比特遮盖成某个 PIO 的中断请求线，
IRQ 标志的用途主要有两个：
状态机可以通过 IRQ 和 WAIT 指令来处理 IRQ 标志。
指令内存是一个 1-写 4-读的寄存器文件，所以四个状态机可以在同一个周期读取指令，而不需要相互等待。
使用多个状态机有三种方式：
状态机之间无法进行数据通信，但可以通过 IRQ 标志互相同步。共有 8 个 IRQ 标志（低 4 比特可以遮盖，用于系统 IRQ），
每个状态机可以通过 IRQ 指令设置或清除任意标志，也可以通过 WAIT IRQ 指令等待某个标志被设置或清除。
这样可以实现状态机之间的时钟周期级别的同步。
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