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GPIO—按键中断

编程入门 行业动态 更新时间:2024-10-23 21:29:59

GPIO—<a href=https://www.elefans.com/category/jswz/34/1768597.html style=按键中断"/>

GPIO—按键中断

13.1关于 STM32 的 EXTI

前面“第10章 基础重点—中断系统”介绍了STM32的中断和中断优先级，知道了所有外设中断都由 NVIC管理，比如USART、ADC、I2C、SPI等。GPIO产生的中断也不例外，但在给NVIC管理之前，还有一个EXTI（External interrupt/event controller，外部中断/事件控制器）先处理一下，如图 13.1.1 所示


STM32F103系列的EXTI支持19个外部中断/事件请求（互联型系列的STM32支持20个），每个中断/事件都有独立的触发和屏蔽设置，支持中断模式和事件模式。

中断模式是指外部信号产生电平变化时，EXTI将该信号给NVIC处理，从而触发中断，执行中断服务函数，完成对应操作。

事件模式是指外部信号产生电平变化时，EXTI根据配置，联动ADC或TIM执行相关操作。

中断和事件的产生源是一样的，中断需要软件实现相应功能，而事件是由硬件触发后执行相应操作。前者需要CPU参与功能实现，可以实现的功能更多，后者无需CPU参与，具有更高的响应速度。

EXTI的结构如图 13.1.2 所示，图中画斜线“/”的信号线表示这样的线共有19根。外部信号输入后，首先经过边缘检测电路，可以实现对上升沿或下降沿信号进行检测，从而得到硬件触发，也可由软件中断事件寄存器产生软件触发信号。无论是硬件触发还是软件触发，如果中断屏蔽寄存器允许，则产生中断给NVIC处理（绿色路线）；如果事件屏蔽寄存器允许，则产生事件，脉冲发生器产生脉冲供其它模块使用（黄色路线）。

STM32F103的GPIO挂载APB总线上，如果要使用GPIO引脚作为外部中断/事件功能，则必须使能APB总 线上该引脚对应端口的时钟和AFIO复用功能。

STM32F103ZET6有7组GPIO，每组16个引脚，即112个GPIO引脚，但EXTI只支持19个外部中断/事件请求，因此需要将多个GPIO合成一组，共用一个中断线，STM32F103系列中断线分组如表 13.1.1 所示。


结合图 13.1.1 所示，EXTI0-EXTI15作为GPIO中断线使用，同组的GPIO共享一条中断线，比如EXTI0组，PA0作为了中断源，则此时PB0~PG0不能作为中断源。

【总结】
STM32有众多异常和中断，其中内部中断源（USART、ADC等）直接由NVIC处理。GPIO引脚可以产生外部中断或事件，如是中断则交由NVIC处理，如果是事件则产生脉冲信号联动其它模块工作。

无论是内部中断源，还是GPIO产生的中断，都由NVIC管理分组，然后根据中断优先级分组确定抢占优先级级数和子优先级级数。

GPIO引脚众多，将引脚数字相同的作为一组，共享一个中断线。

13.2硬件设计

同“12.2 硬件设计”小结内容。

13.3软件设计

13.3.1软件设计思路

实验目的：本实验通过使用外部中断功能去判断按键的状态，通过中断的形式能够更加灵敏的读取到GPIO的电平，让用户更加直观的感受到STM32F103的中断，并学会如何使用和开发其中断功能。

  1. 按键初始化：GPIO端口时钟使能、AFIO复用功能时钟使能、GPIO引脚设置为下降沿触发中断（PA0，
    PG15， PC13， PE3）；
  2. 填充每个按键中断处理函数：读取按键GPIO状态，操作对应LED灯亮灭；
  3. 主函数调用LED和按键初始化后，无需任何操作；
    本实验配套代码位于“5_程序源码\6_GPIO—按键中断\”。

13.3.2软件设计讲解

  1. GPIO宏定义与接口宏定义
    代码段 13.3.1 引脚宏定义（driver_key.h）
/*********************
* 按键引脚状态定义
**********************/
#define PUSH_DOWN GPIO_PIN_RESET
#define SPRING_UP GPIO_PIN_SET
/*********************
* 引脚宏定义
**********************/
#define KEY_UP_GPIO_PIN GPIO_PIN_0
#define KEY_UP_GPIO_PORT GPIOA
#define KEY_UP_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define KEY_DOWN_GPIO_PIN GPIO_PIN_15
#define KEY_DOWN_GPIO_PORT GPIOG
#define KEY_DOWN_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE()
#define KEY_LEFT_GPIO_PIN GPIO_PIN_13
#define KEY_LEFT_GPIO_PORT GPIOC
#define KEY_LEFT_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE()
#define KEY_RIGHT_GPIO_PIN GPIO_PIN_3
#define KEY_RIGHT_GPIO_PORT GPIOE
#define KEY_RIGHT_GPIO_CLK_EN() __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE()
/*********************
* 函数宏定义
**********************/
/*
* 按键状态读取函数宏定义
*/
#define KEY_UP HAL_GPIO_ReadPin(KEY_UP_GPIO_PORT, KEY_UP_GPIO_PIN)
#define KEY_DOWN HAL_GPIO_ReadPin(KEY_DOWN_GPIO_PORT, KEY_DOWN_GPIO_PIN)
#define KEY_LEFT HAL_GPIO_ReadPin(KEY_LEFT_GPIO_PORT, KEY_LEFT_GPIO_PIN)
#define KEY_RIGHT HAL_GPIO_ReadPin(KEY_RIGHT_GPIO_PORT, KEY_RIGHT_GPIO_PIN)

此处与上一实验一致，不再赘述。
2) GPIO初始化
代码段 13.3.2 按键初始化（driver_key.c）

/*
* 函数名：void KeyInit(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：初始化按键的引脚，配置为下降沿触发外部中断
*/
void KeyInit(void) {
// 定义 GPIO 的结构体变量
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
// 使能按键的 GPIO 对应的时钟
KEY_UP_GPIO_CLK_EN();
KEY_DOWN_GPIO_CLK_EN();
KEY_LEFT_GPIO_CLK_EN();
KEY_RIGHT_GPIO_CLK_EN();
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING; // 设置为下降沿触发外部中断
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // 默认上拉
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH; // 引脚反转速度设置为快
// 初始化'Up'键引脚配置
GPIO_InitStruct.Pin = KEY_UP_GPIO_PIN; // 选择按键的引脚
HAL_GPIO_Init(KEY_UP_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
// 初始化'Down'键引脚配置
GPIO_InitStruct.Pin = KEY_DOWN_GPIO_PIN; // 选择按键的引脚
HAL_GPIO_Init(KEY_DOWN_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
// 初始化 Left'键引脚配置
GPIO_InitStruct.Pin = KEY_LEFT_GPIO_PIN; // 选择按键的引脚
HAL_GPIO_Init(KEY_LEFT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
// 初始化'Right'键引脚配置
GPIO_InitStruct.Pin = KEY_RIGHT_GPIO_PIN; // 选择按键的引脚
HAL_GPIO_Init(KEY_RIGHT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
/* EXTI interrupt init*/
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI3_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI3_IRQn);
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI15_10_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn); }
  • 12~16行：使能按键对应GPIO端口时钟；
  • 18行：设置为下降沿触发外部中断，即按键按下瞬间触发中断。可根据需求设置为上升沿触发，即松开按键触发中断，双边缘触发，即按下松开都触发中断;
  • 22~33行：初始化每个按键对应的GPIO，“HAL_GPIO_Init()”里会判断该引脚是否为EXTI模式，如果是则调用“__HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE()”使能AFIO时钟；
  • 36~37行：设置EXTI中断线0的优先级和使能，对应PA0；
  • 39~40行：设置EXTI中断线3的优先级和使能，对应PE3；
  • 42~43行：设置EXTI中断线10 ~15的优先级和使能，对应PC13、PG15；
  1. 中断处理函数

当中断发生后，则自动跳到代码段 10.2.1 中所对应的中断函数所在位置，执行中断函数的内容，因此我们需要编写中断函数的内容。

此处有四个按键，理论上也就应该有4个中断处理函数。但在HAL库中，EXTI0~4这五个中断是各自独
立的中断服务函数，EXTI59共用一个中断服务函数，EXTI1015共用一个中断服务函数。如代码段 10.2.1
中的25~29行、42行、59行。

代码段 13.3.3 按键中断处理函数（driver_key.c）

/*
* 函数名：void EXTI0_IRQHandler(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：外部中断 0 的中断处理函数
*/
void EXTI0_IRQHandler(void) {
HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(KEY_UP_GPIO_PIN); }
/*
* 函数名：void EXTI3_IRQHandler(void)
* 输入参数：无
* * 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：外部中断 3 的中断处理函数
*/
void EXTI3_IRQHandler(void) {
HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(KEY_RIGHT_GPIO_PIN); }
/*
* 函数名：void EXTI15_10_IRQHandler(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：外部中断 10-15 的中断处理函数
*/
void EXTI15_10_IRQHandler(void) {
HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(KEY_DOWN_GPIO_PIN);
HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(KEY_LEFT_GPIO_PIN); }

注意这里的中断处理函数的实现，可以放在“stm32f1xx_it.c”中，同时注意在“stm32f1xx_it.h”中声明。本示例放在“driver_key.c”中，方便读者理解。

每个中断处理函数里，都调用的“HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()”准备后续处理，传入参数为外部中断的引脚号，该函数原型如代码段 13.3.4 所示。

代码段 13.3.4 外部中断处理函数（stm32f1xx_hal_gpio.c）

/**
* @brief This function handles EXTI interrupt request.
* @param GPIO_Pin: Specifies the pins connected EXTI line
* @retval None
*/
void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin)
{
/* EXTI line interrupt detected */
if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_Pin) != 0x00u) {
__HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_Pin);
HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin); } }

该函数先判断传入引脚是否产生了外部中断，确认该引脚产生了中断，则清理中断标志，再调用“HAL_GPIO_EXTI_Callback()”回调函数。在该回调函数，通过判断输入的引脚，完成对应的用户操作，如代码段 13.3.5 所示。

代码段 13.3.5 外部中断处理函数回调函数（driver_key.c）

/*
* 函数名：void HAL_GPIO_EXTI_Callback(void)
* 输入参数：无
* 输出参数：无
* 返回值：无
* 函数作用：外部中断处理函数的回调函数，用以处理不同引脚触发的中断服务最终函数
*/
static volatile bool up_flag = false; // 定义一个全局静态标志，用以判断按键按下的次数，上下左右键类似
static volatile bool down_flag = false;
static volatile bool left_flag = false;
static volatile bool right_flag = false;
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
switch(GPIO_Pin) // 判断是哪个按键
{
case KEY_UP_GPIO_PIN: // 如果是上键
{
up_flag = !up_flag; // 按下一次标志翻转一次
RLED(OFF);
GLED(up_flag?OFF:ON); // 根据标志控制绿灯的亮灭
BLED(OFF);
break; }
case KEY_DOWN_GPIO_PIN: // 如果是下键
{
down_flag = !down_flag; // 按下一次标志翻转一次
RLED(down_flag?OFF:ON); // 三色灯全灭或全亮
GLED(down_flag?OFF:ON);
BLED(down_flag?OFF:ON);
break; }
case KEY_LEFT_GPIO_PIN: // 如果是左键
{
left_flag = !left_flag; // 按下一次标志翻转一次
RLED(left_flag?OFF:ON); // 根据标志控制红灯的亮灭
GLED(OFF);
BLED(OFF);
break; }
case KEY_RIGHT_GPIO_PIN: // 如果是右键
{
right_flag = !right_flag; // 按下一次标志翻转一次
RLED(OFF); // 根据标志控制蓝灯的亮灭
GLED(OFF);
BLED(right_flag?OFF:ON);
break; }
default:break; } }
  • 9~11行：定义了全局变量标志位，用于记录按键按下状态；
  • 14~49行：根据传入的引脚号，得知是哪一个按键按下，从而控制对应LED灯亮灭；
  1. 主函数测试
    代码段 13.3.6 按键中断主函数（main.h）
// 初始化按键
KeyInit();
//初始化 LED
LedGpioInit();
while(1) {}

主函数只需初始化LED和按键，无需任何操作。一旦按键按下产生中断，将自动跳转到对应中断向量位置，调用该位置的中断处理函数。读者需要自行填充中断处理函数内容，这里设置中断处理函数最终都调用外部中断回调函数“HAL_GPIO_EXTI_Callback()”，在该函数里判断是哪个引脚按下，执行相应操作。

13.4实验效果

本实验对应配套资料的“5_程序源码\6_GPIO—按键中断\”。打开工程后，编译，下载。按下KKEY3_L，
红色亮/灭；按下KEY3_U，绿色亮/灭；按下KEY3_R，蓝色亮/灭；按下KEY3_D，三灯亮/灭。

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