GD32開發實戰指南(基礎篇) 第6章 按鍵
開發環境：
MDK：Keil 5.30
開發板：GD32F207I-EVAL
MCU：GD32F207IK
1 普通方式
1.1 普通方式工作原理
按鍵 GPIO 端口有兩個方案可以選擇，一是采用上拉輸入模式，因為按鍵在沒按下的時候，是默認為高電平的，采且內部上拉模式正好符合這個要求。第二個方案是直接采用浮空輸入模式，因為按照硬件電路圖，在芯片外部接了上拉電阻，其實就沒必要再配置成內部上拉輸入模式了，因為在外部上拉與內部上拉效果是一樣的。
筆者本文將會使用KEY1。
1.2 普通方式實現
主函數代碼如下：
/*
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()與 LED 的 GPIO 初始化函數 led_init()類似，區別只是在這個函數中，要開啟的 GPIO 的端口時鐘不一樣，并且把檢測按鍵用的引腳 Pin 的模式設置為適合按鍵應用的上拉輸入模式（由于接了外部上拉電阻，也可以使用浮空輸入，讀者可自行修改代碼做實驗）。
- 按鍵消抖
/*
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;
}
相信延時消抖的原理大家在學習其他單片機時就已經了解了，本函數的功能就是掃描輸入參數中指定的引腳，檢測其電平變化，并作延時消抖處理，最終對按鍵消息進行確認。
- 利用 gpio_input_bit_get() 讀取輸入數據，若從相應引腳讀取的數據等于 0（KEY_ON），低電平，表明可能有按鍵按下，調用延時函數。否則返回 KEY_OFF，表示按鍵沒有被按下。
- 延時之后再次利用 gpio_input_bit_get()讀取輸入數據，若依然為低電平，表明確實有按鍵被按下了。否則返回 KEY_OFF，表示按鍵沒有被按下。
- 循環調用gpio_input_bit_get() 一直檢測按鍵的電平，直至按鍵被釋放，被釋放后，返回表示按鍵被按下的標志 KEY_ON。以上是按鍵消抖的流程，調用了一個庫函數 gpio_input_bit_get()。輸入參數為要讀取的端口、引腳，返回引腳的輸入電平狀態，高電平為 1，低電平為 0。
2 EXTI方式
2.1 EXTI的工作原理
EXTI（External Interrupt） 就是指外部中斷，通過 GPIO 檢測輸入脈沖，引起中斷事件，打斷原來的代碼執行流程，進入到中斷服務函數中進行處理，處理完后再返回到中斷之前的代碼中執行。
- GD32的中斷和異常
Cortex內核具有強大的異常響應系統，它把能夠打斷當前代碼執行流程的事件分為異常（exception）和中斷（interrupt），并把它們用一個表管理起來，編號為 0 ~ 15 的稱為內核異常，而 16 以上的則稱為外部中斷（外是相對內核而言），這個表就稱為中斷向量表。
而 GD32 對這個表重新進行了編排，把編號從-3 至 6 的中斷向量定義為系統異常，編號為負的內核異常不能被設置優先級，如復位（Reset）、不可屏蔽中斷 （NMI）、硬錯誤（Hardfault）。從編號 7 開始的為外部中斷，這些中斷的優先級都是可以自行設置的。詳細的 GD32中斷向量表見下表。
……
完整向量表請參考《GD32F20x_User_Manual_EN_Rev2.4》。
- NVIC 中斷控制器
GD32的中斷如此之多，配置起來并不容易，因此我們需要一個強大而方便的中斷控制器 NVIC （Nested Vectored Interrupt Controller）。NVIC 是屬于 Cortex 內核的器件，不可屏蔽中斷 （NMI）和外部中斷都由它來處理，而 SYSTICK 不是由 NVIC 來控制的。
- NVIC 結構體成員
當我們要使用 NVIC 來配置中斷時，自然想到GD庫肯定也已經把它封裝成庫函數了。查找庫幫助文檔，發現在 gd32f20x_misc查找到一個nvic_irq_enable() 函數。
/*!
\\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);
}
該函數有三個參數，需要配置的中斷向量，中斷向量搶占優先級和中斷向量的響應優先級。
前面兩個結構體成員都很好理解，首先要用 nvic_irq參數來選擇將要配置的中斷向量。用nvic_irq_pre_priority參數要配置中斷向量的搶占優先級，用nvic_irq_sub_priority參數配置中斷向量的響應優先級。對于中斷的配置，最重要的便是配置其優先級，但 GD32 的同一個中斷向量為什么需要設置兩種優先級？這兩種優先級有什么區別？
- 搶占優先級和響應優先級
GD32的中斷向量具有兩個屬性，一個為搶占屬性，另一個為響應屬性，其屬性編號越小，表明它的優先級別越高。
搶占，是指打斷其他中斷的屬性，即因為具有這個屬性會出現嵌套中斷（在執行中斷服務函數 A 的過程中被中斷 B 打斷，執行完中斷服務函數 B 再繼續執行中斷服務函數A），搶占屬性由nvic_irq_pre_priority參數配置。
而響應屬性則應用在搶占屬性相同的情況下，當 兩個中斷向量的搶占優先級相同時，如 果兩個中斷同時到達，則先處理響應優先級高的中斷，響應屬性 由nvic_irq_sub_priority參數配置。例如，現在有三個中斷向量，見下表。
| 中斷向量 | 搶占優先級 | 響應優先級 |
|---|---|---|
| A | 0 | 0 |
| B | 1 | 0 |
| C | 1 | 1 |
若內核正在執行 C 的中斷服務函數，則它能被搶占優先級更高的中斷 A 打斷，由于 B和 C 的搶占優先級相同，所以 C 不能被 B 打斷。但如果 B 和 C 中斷是同時到達的，內核就會首先響應響應優先級別更高的 B 中斷。
- NVIC 的優先級組
在配置優先級的時候，還要注意一個很重要的問題，即中斷種類的數量。NVIC 只可以配置 16 種中斷向量的優先級，也就是說，搶占優先級和響應優先級的數量由一個 4 位的數字來決定，把這個 4 位數字的位數分配成搶占優先級部分和響應優先級部分。有 5 組分配方式 ：
- 第 0 組：所有 4 位用來配置響應優先級。即 16 種中斷向量具有都不相同的響應優先級。
- 第 1 組：最高 1 位用來配置搶占優先級，低 3 位用來配置響應優先級。表示有 21=2 種級別的搶占優先級(0 級，1 級)，有 23=8 種響應優先級，即在 16 種中斷向量之中，有8 種中斷，其搶占優先級都為 0 級，而它們的響應優先級分別為 0~7，其余 8 種中斷向量的搶占優先級則都為 1 級，響應優先級別分別為 0~7。
- 第 2 組：2 位用來配置搶占優先級，2 位用來配置響應優先級。即 22=4 種搶占優先級，22=4 種響應優先級。
- 第 3 組：高 3 位用來配置搶占優先級，最低 1 位用來配置響應優先級。即有 8 種搶占優先級，2 種響應 2 優先級。
- 第 4 組：所有 4 位用來配置搶占優先級，即 NVIC 配置的 24 =16 種中斷向量都是只有搶占屬性，沒有響應屬性。
要配置這些優先級組，可以采用庫函數 nvic_priority_group_set()，可輸入的參數為NVIC_PRIGROUP_PRE0_SUB4 ~ NVIC_PRIGROUP_PRE4_SUB0，分別為以上介紹的 5 種分配組。
GD32的所有 I/O 端口都可以配置為 EXTI 中斷模式，用來捕捉外部信號，可以配置為下降沿中斷、上升沿中斷和上升下降沿中斷這三種模式。它們以圖2所示方式連接到外部中斷 / 事件線上。
- EXTI 外部中斷
GD32的所有 GPIO 都引入到 EXTI 外部中斷線上，使得所有的 GPIO 都能作為外部中斷的輸入源。GPIO 與 EXTI 的連接方式見下表。
由下表可知，PA0 ~ PI0 連接到 EXTI0 、PA1~ PI1 連接到 EXTI1、……、PA15 ~ PI15 連接到 EXTI15。這里大家要注意的是 ：PAx ~ PIx 端口的中斷事件都連接到了 EXTIx，即同一時刻 EXTIx 只能響應一個端口的事件觸發，不能夠同一時間響應所有GPIO 端口的事件，但可以分時復用。它可以配置為上升沿觸發、下降沿觸發或雙邊沿觸發。EXTI 最普通的應用就是接上一個按鍵，設置為下降沿觸發，用中斷來檢測按鍵。
2.2 2 EXTI的寄存器描述
EXTI 寄存器的寄存器主要有6個，下面分別描述。
- 中斷使能寄存器(EXTI_INTEN)
- 事件使能寄存器(EXTI_EVEN)
- 上升沿觸發選擇寄存器(EXTI_RTEN)
注意: 外部喚醒線是邊沿觸發的，這些線上不能出現毛刺信號。在寫EXTI_RTSR寄存器時，在外部中斷線上的上升沿信號不能被識別，掛起位也不會被置位。在同一中斷線上，可以同時設置上升沿和下降沿觸發。即任一邊沿都可觸發中斷。
- 下降沿觸發選擇寄存器(EXTI_FTEN)
注意: 外部喚醒線是邊沿觸發的，這些線上不能出現毛刺信號。在寫EXTI_FTSR寄存器時，在外部中斷線上的下降沿信號不能被識別，掛起位不會被置位。在同一中斷線上，可以同時設置上升沿和下降沿觸發。即任一邊沿都可觸發中斷。
- 軟件中斷事件寄存器(EXTI_SWIEV)
- 掛起寄存器(EXTI_PD)
2.3 EXTI方式實現
主函數代碼如下：
/*
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);
}
}
- 配置外部中斷
現在我們重點分析 key_init() 這個函數，它完成了配置一個 I/O 為 EXTI 中斷的一般步驟，主要有以下功能 ：
1）使能 EXTIx 線的時鐘和第二功能 AFIO 時鐘。
2）配置 EXTIx 線的中斷優先級。
3）配置 EXTI 中斷線 I/O。
4）選定要配置為 EXTI 的 I/O 口線和 I/O 口的工作模式。
5）EXTI 中斷線工作模式配置。
/*
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()代碼中，不僅配置了NVIC ，還對按鍵的GPIO進行了初始化，這部分和按鍵輪詢的設置類似。
接下來，調用 gpio_exti_source_select () 函數把 GPIOA、Pin0 與EXTI連接起來。
最后調用 exti_init() 把 EXTI 初始化，函數如下：
/*!
\\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 時鐘
代碼中調用rcu_periph_clock_enable(RCU_AF)表示開啟 AFIO的時鐘。
AFIO （alternate-function I/O），指 GPIO 端口的復用功能，GPIO 除了用作普通的輸入輸出（主功能），還可以作為片上外設的復用輸入輸出，如串口、ADC，這些就是復用功能。大多數 GPIO 都有一個默認復用功能，有的 GPIO 還有重映射功能。重映射功能是指把原來屬于 A 引腳的默認復用功能，轉移到B引腳進行使用，前提是 B 引腳具有這個重映射功能。
當把 GPIO 用作 EXTI 外部中斷或使用重映射功能的時候，必須開啟 AFIO 時鐘，而在使用默認復用功能的時候，就不必開啟 AFIO 時鐘了。
- 編寫中斷服務函數
在這個 EXTI 設置中我們把 PA0 連接到內部的 EXTI0，GPIO 配置為上拉輸入，工作在下降沿中斷。在外圍電路上我們將 PA0 接到了 key上。當按鍵沒有按下時，PA0 始終為高，當按鍵按下時 PA0 變為低，從而 PA0 上產生一個下降沿跳變，EXTI0 會捕捉到這一跳變，并產生相應的中斷，中斷服務程序在 gd32f20x_it.c 中實現。gd32f20x_it.c 文件是專門用來存放中斷服務函數的。文件中默認只有幾個關于系統異常的中斷服務函數，而且都是空函數，在需要的時候自行編寫。那么中斷服務函數名是不是可以自己定義呢？不可以。中斷服務函數的名字必須要與啟動文件startup_gd32f20x_cl.s 中的中斷向量表定義一致。
EXTI0_IRQHandler 表示為 EXTI0 中斷向量的服務函數名。于是，我們就可以在 gd32f20x_it.c文件中加入名為 EXTI0_IRQHandler() 的函數。
/*!
\\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);
}
}
其內容比較容易理解，進入中斷后，調用exti_interrupt_flag_get() 庫函數來重新檢查是否產生了 EXTI_Line 中斷，接下來把 LED 取反，操作完畢后，調用 exti_interrupt_flag_clear()清除中斷標志位再退出中斷服務函數。
3 實驗現象
編譯好程序后，下載到板子上，不管是普通方式還是中斷方式，當按在按鍵KEY1時，LED或亮或滅。
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