ESP32-S3 实战指南：BOOT-KEY 按键驱动开发全解析

一、基础知识

本篇我们使用 BOOT 按键来学习一下 GPIO 功能，首先补充一下相关术语介绍。

1、GPIO（General Purpose Input/Output）

• GPIO 是微控制器上的通用引脚，既可以作为输入（读取外部信号），也可以作为输出（控制外部设备）。
• 在 ESP32 中，GPIO 引脚可以灵活配置，用于多种用途，例如读取传感器数据、控制 LED、驱动电机等。

---

2、输入（Input）

• 当 GPIO 配置为输入时，它可以读取外部信号的状态（高电平或低电平）。
• 例如，读取按键是否被按下（按键按下时，引脚电平会发生变化）。

---

3、输出（Output）

• 当 GPIO 配置为输出时，它可以控制外部设备的状态（例如点亮 LED 或驱动继电器）。
• 例如，将 GPIO 设置为高电平（3.3V）来点亮 LED，或设置为低电平（0V）来关闭 LED。

---

4、内部上拉（Pull-up）和下拉（Pull-down）

• 上拉电阻：将 GPIO 引脚通过内部电阻连接到电源（3.3V），使引脚在未连接外部信号时保持高电平。
• 下拉电阻：将 GPIO 引脚通过内部电阻连接到地（GND），使引脚在未连接外部信号时保持低电平。
• 这些电阻可以确保 GPIO 引脚在没有外部信号时处于确定的状态，避免悬空（floating）导致的不稳定。

---

5、中断引脚（Interrupt Pin）

• 中断是一种硬件机制，当 GPIO 引脚的状态发生变化时（例如从高电平变为低电平），会触发一个中断信号。
• 中断可以让微控制器立即响应外部事件，而不需要不断轮询（polling）引脚状态。
• 例如，当按键按下时，GPIO 引脚的电平变化会触发中断，微控制器可以立即执行相应的处理程序。

---

6、BOOT 按键和 IO0 引脚

• BOOT 按键：ESP32 开发板上通常有一个 BOOT 按键，用于进入下载模式或复位。
• IO0 引脚：这是 ESP32 的一个 GPIO 引脚，编号为 GPIO0。它通常与 BOOT 按键连接。
• 当 BOOT 按键按下时，IO0 引脚的电平会发生变化（例如从高电平变为低电平）。

---

7、设置为 GPIO 中断，接收按键请求

• 将 IO0 引脚配置为中断引脚，用于检测 BOOT 按键的按下事件。
• 当按键按下时，IO0 引脚的电平变化会触发中断，微控制器可以立即执行相应的代码（例如处理按键请求）。

二、设计图

更多详细资料请查询官网 立创·实战派ESP32-S3开发板 - 立创开源硬件平台

三、实战操作

1、Copy 示例工程 sample_project

示例工程路径：$HOME/esp/esp-idf/tools/templates/sample_project

直接在 esp-idf 目录下搜索 sample_project 也可以找到，接着复制一份工程代码到自己的编码路径，然后修改文件夹名字为 boot_key。

可以看到模板工程下只有一个空函数 app_main，函数体还没有代码，我们需要参考官方提供的 gpio 示例进行编码，路径在：$HOME/esp/esp-idf/examples/peripherals/gpio/generic_gpio

2、引入头文件

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <inttypes.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "driver/gpio.h"

// ...

使用 printf 函数，需要添加 stdio.h 头文件。string.h 和 stdlib.h 我们这里用不着，可以去掉。接下来是 3 个 freeRTOS 的头文件，最后一个头文件是用于 gpio 的配置。

3、gpio 配置

3.1、官方示例

首先看一下官方源码示例是怎么写的，再来看看我们需要修改哪些地方，代码注释如下：

// 官方示例代码
void app_main(void)
{
    // Step1、定义了一个 gpio_config_t 结构体变量。
    gpio_config_t io_conf = {};
    // Step2、定义引脚中断类型，这里是 GPIO_INTR_DISABLE，表示中断关闭
    io_conf.intr_type = GPIO_INTR_DISABLE;
    // Step3、配置模式，这里是 GPIO_MODE_OUTPUT 表示输出模式
    io_conf.mode = GPIO_MODE_OUTPUT;
    // Step4、配置引脚
    io_conf.pin_bit_mask = GPIO_OUTPUT_PIN_SEL;
    // Step5、配置是否打开下拉电阻
    io_conf.pull_down_en = 0;
    // Step6、配置是否打开上拉电阻
    io_conf.pull_up_en = 0;
    // Step7、使用 gpio_config 函数进行配置
    gpio_config(&io_conf);
}

3.2、对应改动点说明

改动点1、修改引脚中断类型

//falling edge interrupt
io_conf.intr_type = GPIO_INTR_NEGEDGE;

**++开发板上的按键没有按下的时候是高电平，按下去以后是低电平，因此定义成下降沿中断。++**这里原来是 GPIO_INTR_DISABLE，表示中断关闭，这里我们修改为 GPIO_INTR_NEGEDGE，即下降沿中断。这些宏定义在 gpio_types.h 文件中被定义，我们在 gpio_example_main.c 文件中的 GPIO_INTR_DISABLE 上单击右键，然后选择"转到定义"，就可以找到这几个宏定义，如下所示：

typedef enum {
    GPIO_INTR_DISABLE = 0,     /*!< Disable GPIO interrupt                             */
    GPIO_INTR_POSEDGE = 1,     /*!< GPIO interrupt type : rising edge                  */
    GPIO_INTR_NEGEDGE = 2,     /*!< GPIO interrupt type : falling edge                 */
    GPIO_INTR_ANYEDGE = 3,     /*!< GPIO interrupt type : both rising and falling edge */
    GPIO_INTR_LOW_LEVEL = 4,   /*!< GPIO interrupt type : input low level trigger      */
    GPIO_INTR_HIGH_LEVEL = 5,  /*!< GPIO interrupt type : input high level trigger     */
    GPIO_INTR_MAX,
} gpio_int_type_t;

改动点2、修改 gpio 模式

//set as input mode
io_conf.mode = GPIO_MODE_INPUT;

修改为输入模式，就可以读取外部信号的状态，按键按下时，捕获到引脚电平变化信号。

改动点3、修改引脚

//bit mask of the pins GPIO0
io_conf.pin_bit_mask = 1<<GPIO_NUM_0;

因为 BOOT 按键连接到了 GPIO0，所以这里我们把原来的 GPIO_OUTPUT_PIN_SEL 修改为 1<<GPIO_NUM_0，实际上 GPIO_NUM_0 是一个宏定义，值为 0。

改动点4、修改打开上下拉电阻

//disable pull-down mode
io_conf.pull_down_en = 0;
//enable pull-up mode
io_conf.pull_up_en = 1;

打开上拉电阻，将 GPIO 引脚通过内部电阻连接到电源，使引脚在未连接外部信号时保持高电平，从而避免引脚悬空导致的不稳定问题。

补充：为什么不用下拉电阻？

下拉电阻也可以用于避免引脚悬空，但它会将引脚在没有外部信号时拉低到地（0V）。在按键检测中，通常使用上拉电阻，因为按键按下时会将引脚拉低到地，这种设计更符合直觉和常见的硬件电路设计。

3.3、改动代码整合

改动后的代码可以简化成这样子，

// ...

void app_main(void)
{
    //zero-initialize the config structure.
    gpio_config_t io_conf = {
        .intr_type = GPIO_INTR_NEGEDGE,
        .mode = GPIO_MODE_DEF_INPUT,
        .pin_bit_mask = 1<<GPIO_NUM_0,
        .pull_down_en = 0,
        .pull_up_en = 1
    };
    
    //configure GPIO with the given settings
    gpio_config(&io_conf);

}

4、中断服务函数

4.1、官方示例

同样的，首先看一下官方源码示例是怎么写的，再来看看我们需要修改哪些地方，代码注释如下：

// 官方示例代码

#define ESP_INTR_FLAG_DEFAULT 0

static QueueHandle_t gpio_evt_queue = NULL;

static void IRAM_ATTR gpio_isr_handler(void* arg)
{
    uint32_t gpio_num = (uint32_t) arg;
    xQueueSendFromISR(gpio_evt_queue, &gpio_num, NULL);
}

static void gpio_task_example(void* arg)
{
    uint32_t io_num;
    for (;;) {
        if (xQueueReceive(gpio_evt_queue, &io_num, portMAX_DELAY)) {
            printf("GPIO[%"PRIu32"] intr, val: %d\n", io_num, gpio_get_level(io_num));
        }
    }
}

void app_main(void)
{
    // ...

    // Step1、创建了一个队列，队列消息数量为 10，gpio_evt_queue 是队列句柄
    gpio_evt_queue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));
    // Step2、创建了一个任务，任务名称为 gpio_task_example
    xTaskCreate(gpio_task_example, "gpio_task_example", 2048, NULL, 10, NULL);

    // Step3、启动 GPIO 中断服务，其中 ESP_INTR_FLAG_DEFAULT 的值是 0
    gpio_install_isr_service(ESP_INTR_FLAG_DEFAULT);
    // Step4、添加某个 GPIO 的中断，第 1 个参数指定哪个 GPIO 产生中断，第 2 个参数是中断服务函数的名称，第 3 个参数是中断服务函数的参数
    gpio_isr_handler_add(GPIO_INPUT_IO_0, gpio_isr_handler, (void*) GPIO_INPUT_IO_0);

    // ...
}

4.2、对应改动点说明

gpio_isr_handler_add(GPIO_NUM_0, gpio_isr_handler, (void*) GPIO_NUM_0);

这里我们只需要添加 GPIO0 的中断，因此修改了参数1、参数3。

4.3、改动代码整合

// ...

void app_main(void)
{
    // ...

    //create a queue to handle gpio event from isr
    gpio_evt_queue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));
    //start gpio task
    xTaskCreate(gpio_task_example, "gpio_task_example", 2048, NULL, 10, NULL);

    //install gpio isr service
    gpio_install_isr_service(ESP_INTR_FLAG_DEFAULT);
    //hook isr handler for specific gpio pin
    gpio_isr_handler_add(GPIO_NUM_0, gpio_isr_handler, (void*) GPIO_NUM_0);
}

5、完整代码

#include <stdio.h>
// #include <string.h>
// #include <stdlib.h>
#include <inttypes.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "driver/gpio.h"

#define ESP_INTR_FLAG_DEFAULT 0

static QueueHandle_t gpio_evt_queue = NULL;

static void IRAM_ATTR gpio_isr_handler(void* arg)
{
    uint32_t gpio_num = (uint32_t) arg;
    xQueueSendFromISR(gpio_evt_queue, &gpio_num, NULL);
}

static void gpio_task_example(void* arg)
{
    uint32_t io_num;
    for (;;) {
        if (xQueueReceive(gpio_evt_queue, &io_num, portMAX_DELAY)) {
            printf("GPIO[%"PRIu32"] intr, val: %d\n", io_num, gpio_get_level(io_num));
        }
    }
}

void app_main(void)
{
    //zero-initialize the config structure.
    gpio_config_t io_conf = {
        .intr_type = GPIO_INTR_NEGEDGE,
        .mode = GPIO_MODE_DEF_INPUT,
        .pin_bit_mask = 1<<GPIO_NUM_0,
        .pull_down_en = 0,
        .pull_up_en = 1
    };
    
    //configure GPIO with the given settings
    gpio_config(&io_conf);

    //create a queue to handle gpio event from isr
    gpio_evt_queue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));
    //start gpio task
    xTaskCreate(gpio_task_example, "gpio_task_example", 2048, NULL, 10, NULL);

    //install gpio isr service
    gpio_install_isr_service(ESP_INTR_FLAG_DEFAULT);
    //hook isr handler for specific gpio pin
    gpio_isr_handler_add(GPIO_NUM_0, gpio_isr_handler, (void*) GPIO_NUM_0);
}

四、编译下载

配置 menu config，设置 flash size 为 16 MB，

一键烧录，

boot 按键效果，

可以看到，当我们按下 boot 键的时候，控制台输出 GPIO[0] intr, val: 0 符合预期。

五、生成默认配置

编译下载后，结果没有问题的话，使用 idf.py save-defconfig 命令生成 sdkconfig.defaults 文件。这个命令要打开"命令终端"执行，看结果的"串口终端"不行。

idf.py save-defconfig 

回车执行命令后，会看到工程中多了一个 sdkconfig.defaults 文件，点击打开 sdkconfig.defaults 文件，会看到里面的内容。这个文件里面包含了我们对 menuconfig 的修改。

这时候，我们可以把工程中配置和编译生成的文件夹全部去掉，最后的文件如下所示：

使用 VSCode 重新打开工程，在选择目标芯片后，sdkconfig.defaults 文件里面的配置就配置到 menuconfig 里面了，省去了手动配置 menucofig。如果 menuconfig 里面配置的内容很多，这个文件就显得很有必要了。