GD32开发实战指南(基础篇) 第6章 按键

嵌入式大杂烩 2023-05-11 4666

嵌入式大杂烩

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描述

开发环境：

MDK：Keil 5.30

开发板：GD32F207I-EVAL

MCU：GD32F207IK

1 普通方式

1.1 普通方式工作原理

按键 GPIO 端口有两个方案可以选择，一是采用上拉输入模式，因为按键在没按下的时候，是默认为高电平的，采且内部上拉模式正好符合这个要求。第二个方案是直接采用浮空输入模式，因为按照硬件威廉希尔官方网站 图，在芯片外部接了上拉电阻，其实就没必要再配置成内部上拉输入模式了，因为在外部上拉与内部上拉效果是一样的。

开发板

笔者本文将会使用KEY1。

1.2 普通方式实现

主函数代码如下：

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    //systick init
    sysTick_init();
	
    /* configure LED1 GPIO port */
    led_init(LED1);

    /* configure LED2 GPIO port */
    led_init(LED2);

    /* configure LED3 GPIO port */
    led_init(LED3);

    /* configure LED4 GPIO port */
    led_init(LED4);

    //key init
    key_init(KEY_WAKEUP);
	
    while(1) 
    {
        delay_ms(100);
        if(key_scan(KEY_WAKEUP))
        {
            /* turn toggle LED */
            led_toggle(LED1);
            led_toggle(LED2);
            led_toggle(LED3);
            led_toggle(LED4);
        }
    }
}
  • GPIO 初始化配置
/*
    brief      configure key
    param[in]  keynum: specify the key to be configured
      arg        KEY_TAMPER: tamper key
      arg        KEY_WAKEUP: wakeup key
      arg        KEY_USER: user key
    param[out] none
    retval     none
*/
void key_init(key_typedef_enum keynum)
{
    /* enable the key clock */
    rcu_periph_clock_enable(KEY_CLK[keynum]);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

    /* configure button pin as input */
    gpio_init(KEY_PORT[keynum], GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, KEY_PIN[keynum]);
}

key_init()与 LED 的 GPIO 初始化函数 led_init()类似，区别只是在这个函数中，要开启的 GPIO 的端口时钟不一样，并且把检测按键用的引脚 Pin 的模式设置为适合按键应用的上拉输入模式（由于接了外部上拉电阻，也可以使用浮空输入，读者可自行修改代码做实验）。

  • 按键消抖
/*
    brief      return the key state
    param[in]  keynum: specify the key to be checked
      arg        KEY_TAMPER: tamper key
      arg        KEY_WAKEUP: wakeup key
      arg        KEY_USER: user key
    param[out] none
    retval     the key's GPIO pin value
*/
key_state_enum key_scan(key_typedef_enum keynum)
{
    /* check whether the button is pressed */
    if(RESET == gpio_input_bit_get(KEY_PORT[keynum], KEY_PIN[keynum]))
    {
        delay_ms(100);

        /* check whether the button is pressed */
        if(RESET == gpio_input_bit_get(KEY_PORT[keynum], KEY_PIN[keynum]))
        {
            while(RESET == gpio_input_bit_get(KEY_PORT[keynum], KEY_PIN[keynum]))
            {
                return KEY_ON;
            }
        }
    }
    return KEY_OFF;
}

相信延时消抖的原理大家在学习其他单片机时就已经了解了，本函数的功能就是扫描输入参数中指定的引脚，检测其电平变化，并作延时消抖处理，最终对按键消息进行确认。

  • 利用 gpio_input_bit_get() 读取输入数据，若从相应引脚读取的数据等于 0（KEY_ON），低电平，表明可能有按键按下，调用延时函数。否则返回 KEY_OFF，表示按键没有被按下。
  • 延时之后再次利用 gpio_input_bit_get()读取输入数据，若依然为低电平，表明确实有按键被按下了。否则返回 KEY_OFF，表示按键没有被按下。
  • 循环调用gpio_input_bit_get() 一直检测按键的电平，直至按键被释放，被释放后，返回表示按键被按下的标志 KEY_ON。以上是按键消抖的流程，调用了一个库函数 gpio_input_bit_get()。输入参数为要读取的端口、引脚，返回引脚的输入电平状态，高电平为 1，低电平为 0。

2 EXTI方式

2.1 EXTI的工作原理

EXTI（External Interrupt） 就是指外部中断，通过 GPIO 检测输入脉冲，引起中断事件，打断原来的代码执行流程，进入到中断服务函数中进行处理，处理完后再返回到中断之前的代码中执行。

  • GD32的中断和异常

Cortex内核具有强大的异常响应系统，它把能够打断当前代码执行流程的事件分为异常（exception）和中断（interrupt），并把它们用一个表管理起来，编号为 0 ~ 15 的称为内核异常，而 16 以上的则称为外部中断（外是相对内核而言），这个表就称为中断向量表。

而 GD32 对这个表重新进行了编排，把编号从-3 至 6 的中断向量定义为系统异常，编号为负的内核异常不能被设置优先级，如复位（Reset）、不可屏蔽中断 （NMI）、硬错误（Hardfault）。从编号 7 开始的为外部中断，这些中断的优先级都是可以自行设置的。详细的 GD32中断向量表见下表。

开发板

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……

完整向量表请参考《GD32F20x_User_Manual_EN_Rev2.4》。

  • NVIC 中断控制器

GD32的中断如此之多，配置起来并不容易，因此我们需要一个强大而方便的中断控制器 NVIC （Nested Vectored Interrupt Controller）。NVIC 是属于 Cortex 内核的器件，不可屏蔽中断 （NMI）和外部中断都由它来处理，而 SYSTICK 不是由 NVIC 来控制的。

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  • NVIC 结构体成员

当我们要使用 NVIC 来配置中断时，自然想到GD库肯定也已经把它封装成库函数了。查找库帮助文档，发现在 gd32f20x_misc查找到一个nvic_irq_enable() 函数。

/*!
    \\brief      enable NVIC request
    \\param[in]  nvic_irq: the NVIC interrupt request, detailed in IRQn_Type
    \\param[in]  nvic_irq_pre_priority: the pre-emption priority needed to set
    \\param[in]  nvic_irq_sub_priority: the subpriority needed to set
    \\param[out] none
    \\retval     none
*/
void nvic_irq_enable(uint8_t nvic_irq,
                     uint8_t nvic_irq_pre_priority,
                     uint8_t nvic_irq_sub_priority)
{
    uint32_t temp_priority = 0x00U, temp_pre = 0x00U, temp_sub = 0x00U;

    /* use the priority group value to get the temp_pre and the temp_sub */
    switch((SCB->AIRCR) & (uint32_t)0x700U) {
    case NVIC_PRIGROUP_PRE0_SUB4:
        temp_pre = 0U;
        temp_sub = 0x4U;
        break;
    case NVIC_PRIGROUP_PRE1_SUB3:
        temp_pre = 1U;
        temp_sub = 0x3U;
        break;
    case NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2:
        temp_pre = 2U;
        temp_sub = 0x2U;
        break;
    case NVIC_PRIGROUP_PRE3_SUB1:
        temp_pre = 3U;
        temp_sub = 0x1U;
        break;
    case NVIC_PRIGROUP_PRE4_SUB0:
        temp_pre = 4U;
        temp_sub = 0x0U;
        break;
    default:
        nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2);
        temp_pre = 2U;
        temp_sub = 0x2U;
        break;
    }

    /* get the temp_priority to fill the NVIC->IP register */
    temp_priority = (uint32_t)nvic_irq_pre_priority << (0x4U - temp_pre);
    temp_priority |= nvic_irq_sub_priority & (0x0FU >> (0x4U - temp_sub));
    temp_priority = temp_priority << 0x04U;
    NVIC->IP[nvic_irq] = (uint8_t)temp_priority;

    /* enable the selected IRQ */
    NVIC->ISER[nvic_irq >> 0x05U] = (uint32_t)0x01U << (nvic_irq & (uint8_t)0x1FU);
}

该函数有三个参数，需要配置的中断向量，中断向量抢占优先级和中断向量的响应优先级。

前面两个结构体成员都很好理解，首先要用 nvic_irq参数来选择将要配置的中断向量。用nvic_irq_pre_priority参数要配置中断向量的抢占优先级，用nvic_irq_sub_priority参数配置中断向量的响应优先级。对于中断的配置，最重要的便是配置其优先级，但 GD32 的同一个中断向量为什么需要设置两种优先级？这两种优先级有什么区别？

  • 抢占优先级和响应优先级

GD32的中断向量具有两个属性，一个为抢占属性，另一个为响应属性，其属性编号越小，表明它的优先级别越高。

抢占，是指打断其他中断的属性，即因为具有这个属性会出现嵌套中断（在执行中断服务函数 A 的过程中被中断 B 打断，执行完中断服务函数 B 再继续执行中断服务函数A），抢占属性由nvic_irq_pre_priority参数配置。

而响应属性则应用在抢占属性相同的情况下，当 两个中断向量的抢占优先级相同时，如 果两个中断同时到达，则先处理响应优先级高的中断，响应属性 由nvic_irq_sub_priority参数配置。例如，现在有三个中断向量，见下表。

中断向量 抢占优先级 响应优先级
A 0 0
B 1 0
C 1 1

若内核正在执行 C 的中断服务函数，则它能被抢占优先级更高的中断 A 打断，由于 B和 C 的抢占优先级相同，所以 C 不能被 B 打断。但如果 B 和 C 中断是同时到达的，内核就会首先响应响应优先级别更高的 B 中断。

  • NVIC 的优先级组

在配置优先级的时候，还要注意一个很重要的问题，即中断种类的数量。NVIC 只可以配置 16 种中断向量的优先级，也就是说，抢占优先级和响应优先级的数量由一个 4 位的数字来决定，把这个 4 位数字的位数分配成抢占优先级部分和响应优先级部分。有 5 组分配方式 ：

  • 第 0 组：所有 4 位用来配置响应优先级。即 16 种中断向量具有都不相同的响应优先级。
  • 第 1 组：最高 1 位用来配置抢占优先级，低 3 位用来配置响应优先级。表示有 21=2 种级别的抢占优先级(0 级，1 级)，有 23=8 种响应优先级，即在 16 种中断向量之中，有8 种中断，其抢占优先级都为 0 级，而它们的响应优先级分别为 0~7，其余 8 种中断向量的抢占优先级则都为 1 级，响应优先级别分别为 0~7。
  • 第 2 组：2 位用来配置抢占优先级，2 位用来配置响应优先级。即 22=4 种抢占优先级，22=4 种响应优先级。
  • 第 3 组：高 3 位用来配置抢占优先级，最低 1 位用来配置响应优先级。即有 8 种抢占优先级，2 种响应 2 优先级。
  • 第 4 组：所有 4 位用来配置抢占优先级，即 NVIC 配置的 24 =16 种中断向量都是只有抢占属性，没有响应属性。

要配置这些优先级组，可以采用库函数 nvic_priority_group_set()，可输入的参数为NVIC_PRIGROUP_PRE0_SUB4 ~ NVIC_PRIGROUP_PRE4_SUB0，分别为以上介绍的 5 种分配组。

GD32的所有 I/O 端口都可以配置为 EXTI 中断模式，用来捕捉外部信号，可以配置为下降沿中断、上升沿中断和上升下降沿中断这三种模式。它们以图2所示方式连接到外部中断 / 事件线上。

  • EXTI 外部中断

GD32的所有 GPIO 都引入到 EXTI 外部中断线上，使得所有的 GPIO 都能作为外部中断的输入源。GPIO 与 EXTI 的连接方式见下表。

由下表可知，PA0 ~ PI0 连接到 EXTI0 、PA1~ PI1 连接到 EXTI1、……、PA15 ~ PI15 连接到 EXTI15。这里大家要注意的是 ：PAx ~ PIx 端口的中断事件都连接到了 EXTIx，即同一时刻 EXTIx 只能响应一个端口的事件触发，不能够同一时间响应所有GPIO 端口的事件，但可以分时复用。它可以配置为上升沿触发、下降沿触发或双边沿触发。EXTI 最普通的应用就是接上一个按键，设置为下降沿触发，用中断来检测按键。

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2.2 2 EXTI的寄存器描述

EXTI 寄存器的寄存器主要有6个，下面分别描述。

  • 中断使能寄存器(EXTI_INTEN)

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  • 事件使能寄存器(EXTI_EVEN)

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  • 上升沿触发选择寄存器(EXTI_RTEN)

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注意: 外部唤醒线是边沿触发的，这些线上不能出现毛刺信号。在写EXTI_RTSR寄存器时，在外部中断线上的上升沿信号不能被识别，挂起位也不会被置位。在同一中断线上，可以同时设置上升沿和下降沿触发。即任一边沿都可触发中断。

  • 下降沿触发选择寄存器(EXTI_FTEN)

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注意: 外部唤醒线是边沿触发的，这些线上不能出现毛刺信号。在写EXTI_FTSR寄存器时，在外部中断线上的下降沿信号不能被识别，挂起位不会被置位。在同一中断线上，可以同时设置上升沿和下降沿触发。即任一边沿都可触发中断。

  • 软件中断事件寄存器(EXTI_SWIEV)

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  • 挂起寄存器(EXTI_PD)

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2.3 EXTI方式实现

主函数代码如下：

/*
    brief      main function
    param[in]  none
    param[out] none
    retval     none
*/
int main(void)
{
    //systick init
    sysTick_init();
	
    /* configure LED1 GPIO port */
    led_init(LED1);

    /* configure LED2 GPIO port */
    led_init(LED2);

    /* configure LED3 GPIO port */
    led_init(LED3);

    /* configure LED4 GPIO port */
    led_init(LED4);
	
    //key init
    key_init(KEY_WAKEUP, KEY_MODE_EXTI);
	
    while(1) 
    {
        delay_ms(100);
    }
}
  • 配置外部中断

现在我们重点分析 key_init() 这个函数，它完成了配置一个 I/O 为 EXTI 中断的一般步骤，主要有以下功能 ：

1）使能 EXTIx 线的时钟和第二功能 AFIO 时钟。

2）配置 EXTIx 线的中断优先级。

3）配置 EXTI 中断线 I/O。

4）选定要配置为 EXTI 的 I/O 口线和 I/O 口的工作模式。

5）EXTI 中断线工作模式配置。

/*
    brief      configure key
    param[in]  keynum: specify the key to be configured
      arg        KEY_TAMPER: tamper key
      arg        KEY_WAKEUP: wakeup key
      arg        KEY_USER: user key
    param[in]  keymode: specify button mode
      arg        KEY_MODE_GPIO: key will be used as simple IO
      arg        KEY_MODE_EXTI: key will be connected to EXTI line with interrupt
    param[out] none
    retval     none
*/
void key_init(key_typedef_enum keynum, keymode_typedef_enum keymode)
{
    /* enable the key clock */
    rcu_periph_clock_enable(KEY_CLK[keynum]);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AF);

    /* configure button pin as input */
    gpio_init(KEY_PORT[keynum], GPIO_MODE_IN_FLOATING, GPIO_OSPEED_50MHZ, KEY_PIN[keynum]);

    if (keymode == KEY_MODE_EXTI) 
    {
        /* enable and set key EXTI interrupt to the lowest priority */
        nvic_irq_enable(KEY_IRQn[keynum], 2U, 0U);

        /* connect key EXTI line to key GPIO pin */
        gpio_exti_source_select(KEY_PORT_SOURCE[keynum], KEY_PIN_SOURCE[keynum]);

        /* configure key EXTI line */
        exti_init(KEY_EXTI_LINE[keynum], EXTI_INTERRUPT, EXTI_TRIG_FALLING);
        exti_interrupt_flag_clear(KEY_EXTI_LINE[keynum]);
    }
}

key_init()代码中，不仅配置了NVIC ，还对按键的GPIO进行了初始化，这部分和按键轮询的设置类似。

接下来，调用 gpio_exti_source_select () 函数把 GPIOA、Pin0 与EXTI连接起来。

最后调用 exti_init() 把 EXTI 初始化，函数如下：

/*!
    \\brief      initialize the EXTI
    \\param[in]  linex: EXTI line number, refer to exti_line_enum
                only one parameter can be selected which is shown as below:
      \\arg        EXTI_x (x=0..19): EXTI line x
    \\param[in]  mode: interrupt or event mode, refer to exti_mode_enum
                only one parameter can be selected which is shown as below:
      \\arg        EXTI_INTERRUPT: interrupt mode
      \\arg        EXTI_EVENT: event mode
    \\param[in]  trig_type: interrupt trigger type, refer to exti_trig_type_enum
                only one parameter can be selected which is shown as below:
      \\arg        EXTI_TRIG_RISING: rising edge trigger
      \\arg        EXTI_TRIG_FALLING: falling trigger
      \\arg        EXTI_TRIG_BOTH: rising and falling trigger
      \\arg        EXTI_TRIG_NONE: without rising edge or falling edge trigger
    \\param[out] none
    \\retval     none
*/
void exti_init(exti_line_enum linex, exti_mode_enum mode, exti_trig_type_enum trig_type)
{
    /* reset the EXTI line x */
    EXTI_INTEN &= ~(uint32_t)linex;
    EXTI_EVEN &= ~(uint32_t)linex;
    EXTI_RTEN &= ~(uint32_t)linex;
    EXTI_FTEN &= ~(uint32_t)linex;

    /* set the EXTI mode and enable the interrupts or events from EXTI line x */
    switch(mode) {
    case EXTI_INTERRUPT:
        EXTI_INTEN |= (uint32_t)linex;
        break;
    case EXTI_EVENT:
        EXTI_EVEN |= (uint32_t)linex;
        break;
    default:
        break;
    }

    /* set the EXTI trigger type */
    switch(trig_type) {
    case EXTI_TRIG_RISING:
        EXTI_RTEN |= (uint32_t)linex;
        EXTI_FTEN &= ~(uint32_t)linex;
        break;
    case EXTI_TRIG_FALLING:
        EXTI_RTEN &= ~(uint32_t)linex;
        EXTI_FTEN |= (uint32_t)linex;
        break;
    case EXTI_TRIG_BOTH:
        EXTI_RTEN |= (uint32_t)linex;
        EXTI_FTEN |= (uint32_t)linex;
        break;
    case EXTI_TRIG_NONE:
    default:
        break;
    }
}
  • AFIO 时钟

代码中调用rcu_periph_clock_enable(RCU_AF)表示开启 AFIO的时钟。

AFIO （alternate-function I/O），指 GPIO 端口的复用功能，GPIO 除了用作普通的输入输出（主功能），还可以作为片上外设的复用输入输出，如串口、ADC，这些就是复用功能。大多数 GPIO 都有一个默认复用功能，有的 GPIO 还有重映射功能。重映射功能是指把原来属于 A 引脚的默认复用功能，转移到B引脚进行使用，前提是 B 引脚具有这个重映射功能。

当把 GPIO 用作 EXTI 外部中断或使用重映射功能的时候，必须开启 AFIO 时钟，而在使用默认复用功能的时候，就不必开启 AFIO 时钟了。

  • 编写中断服务函数

在这个 EXTI 设置中我们把 PA0 连接到内部的 EXTI0，GPIO 配置为上拉输入，工作在下降沿中断。在外围威廉希尔官方网站 上我们将 PA0 接到了 key上。当按键没有按下时，PA0 始终为高，当按键按下时 PA0 变为低，从而 PA0 上产生一个下降沿跳变，EXTI0 会捕捉到这一跳变，并产生相应的中断，中断服务程序在 gd32f20x_it.c 中实现。gd32f20x_it.c 文件是专门用来存放中断服务函数的。文件中默认只有几个关于系统异常的中断服务函数，而且都是空函数，在需要的时候自行编写。那么中断服务函数名是不是可以自己定义呢？不可以。中断服务函数的名字必须要与启动文件startup_gd32f20x_cl.s 中的中断向量表定义一致。

开发板

EXTI0_IRQHandler 表示为 EXTI0 中断向量的服务函数名。于是，我们就可以在 gd32f20x_it.c文件中加入名为 EXTI0_IRQHandler() 的函数。

/*!
    \\brief      this function handles external lines 0 interrupt request
    \\param[in]  none
    \\param[out] none
    \\retval     none
*/
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if(RESET != exti_interrupt_flag_get(EXTI_0))
    {
        /* turn toggle LED */
        led_toggle(LED1);
        led_toggle(LED2);
        led_toggle(LED3);
        led_toggle(LED4);

       exti_interrupt_flag_clear(EXTI_0);
   }
}

其内容比较容易理解，进入中断后，调用exti_interrupt_flag_get() 库函数来重新检查是否产生了 EXTI_Line 中断，接下来把 LED 取反，操作完毕后，调用 exti_interrupt_flag_clear()清除中断标志位再退出中断服务函数。

3 实验现象

编译好程序后，下载到板子上，不管是普通方式还是中断方式，当按在按键KEY1时，LED或亮或灭。

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