学习笔记——GPIO按键与中断系统

嵌入式开发笔记：GPIO按键与中断系统

一、课前回顾要点

(1) volatile关键字的作用

作用：防止编译器优化，确保每次访问变量时都从内存中读取

• 对编译器：禁止对该变量进行优化

• 对程序：确保变量值的实时性

• 应用场景：

  • 多线程共享变量

  • 硬件寄存器访问

  • 中断服务程序中的变量

(2) 链接脚本的作用

作用：控制程序在内存中的布局和组织

• 指定各段（section）的存储位置

• 定义程序的入口点

• 管理内存分配（RAM/ROM）

• 控制符号的地址和顺序

二、按键驱动实验（轮询方式）

1. 硬件介绍

2. 按键代码编写（轮询方式）

(1) 查阅手册

参考文档：

• IMX6ULL_MINI_V2.2(Mini底板原理图)

• IMX6ULL参考手册.pdf

(2) 初始化步骤

/* 步骤1：复用功能配置 */
// 引脚：UART1_CTS_B (GPIO1_IO18)
// 寄存器：IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_CTS_B
// 配置：ALT5模式 → GPIO1_IO18
IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);
/*
位域说明：
[0] SION: 0 (DISABLED) - 输入路径由功能决定
[3:0] MUX_MODE: 0101 (ALT5) - GPIO1_IO18
*/

/* 步骤2：电气特性配置 */
// 寄存器：IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART1_CTS_B
IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0xF080);
/*
位域详解（16位）：
[16] HYS: 0 - 禁用迟滞
[15:14] PUS: 11 - 22K上拉电阻
[13] PUE: 1 - 选择上拉/下拉
[12] PKE: 1 - 使能上拉/下拉
[11] ODE: 0 - 禁用开漏
[7:6] SPEED: 10 - 中速(100MHz)
[5:3] DSE: 000 - 输出驱动禁用（输入模式）
[0] SRE: 0 - 慢转换速率
*/

/* 步骤3：GPIO方向设置 */
// 寄存器：GPIO1_GDIR
GPIO1->GDIR &= ~(1 << 18);  // 设置为输入模式
/*
GDIR位说明：
0 - INPUT (输入模式)
1 - OUTPUT (输出模式)
*/

/* 步骤4：使能GPIO时钟 */
// 寄存器：CCM_CCGR1
// GPIO1组所有引脚共用该时钟门控
CCM->CCGR1 |= (3 << 26);  // 使能GPIO1时钟

(3) 运行时开关检测

/* 读取按键状态 */
// 寄存器：GPIO1_DR
int key_value = (GPIO1->DR >> 18) & 0x1;
/*
状态说明：
1 - 开关断开（高电平）
0 - 开关按下（低电平）
*/

3. 轮询方式的问题

void main_task(void) {
    while(1) {
        // 复杂业务处理（耗时）
        process_complex_task();  // 可能执行很长时间
        
        // 按键检测（可能被漏掉）
        check_key_status();      // 轮询间隔可能很长
    }
}

// 模拟复杂业务
void delay(unsigned int count) {
    while(count--);  // 简单延时模拟
}

问题分析：

1. 响应延迟：主循环中的复杂任务会延迟按键检测

2. 漏检风险：快速按键可能被完全错过

3. 实时性差：不适用于紧急响应场景（如汽车刹车）

三、中断方式解决方案

1. 中断基本概念

中断：CPU能打断当前工作，处理紧急任务，处理完后返回原处继续工作

2. 中断处理流程

┌─────────────────────────────────┐
│        中断处理流程              │
├─────────────────────────────────┤
│ 1. 中断源发出中断请求           │
│ 2. CPU检查是否响应中断          │
│ 3. 检查中断优先级               │
│ 4. 保护现场（保存寄存器）       │
│ 5. 执行中断服务函数（ISR）      │
│ 6. 恢复现场（恢复寄存器）       │
│ 7. 返回原程序继续执行           │
└─────────────────────────────────┘

3. 中断控制器GIC详解

(1) GIC架构概览

参考文档 ：ARM Generic Interrupt Controller V2.0.pdf

GICv2架构（单核IMX6ULL）：
┌─────────────────────────────────┐
│      GIC Distributor            │
│  ┌─────────────────────────┐    │
│  │ 中断源管理 (0-1019)      │    │
│  │ • SGI (0-15): 软件中断   │    │
│  │ • PPI (16-31): 私有中断  │    │
│  │ • SPI (32-1019):共享中断 │    │
│  └─────────────────────────┘    │
│              │                  │
└──────────────┼──────────────────┘
               ▼
┌─────────────────────────────────┐
│     CPU Interface (Processor0)  │
│  ┌─────────────────────────┐    │
│  │ • 中断优先级屏蔽        │    │
│  │ • 中断确认              │    │
│  │ • 中断完成通知          │    │
│  └─────────────────────────┘    │
└─────────────────────────────────┘

(2) 中断类型说明

• SGI (0-15)：软件生成中断，用于核间通信

• PPI (16-31)：私有外设中断，每个核独有

• SPI (32-1019)：共享外设中断，所有核可见

(3) IMX6ULL中断映射

参考 ：IMX6ULL参考手册.pdf - Table 3-1

• 总中断号：0-128

• GPIO中断属于SPI类型

4. 协处理器CP15

(1) 功能概述

位置 ：Cortex-A7技术参考手册第4章
作用：系统控制与配置

• 系统控制与配置

• MMU配置与管理

• Cache配置与管理

• 虚拟化与安全

• 系统性能监控

(2) 关键寄存器组

/* c1寄存器：SCTLR (System Control Register) */
mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0  // 读取SCTLR
bic r0, r0, #(1 << 13)     // 清除bit13 (V)
orr r0, r0, #(1 << 12)     // 设置bit12 (I Cache使能)
mcr p15, 0, r0, c1, c0, 0  // 写回SCTLR

/*
SCTLR关键位：
bit13 [V]: 异常向量表基地址
    0 - 正常异常向量，基地址0x00000000
    1 - 高异常向量，基地址0xFFFF0000
bit12 [I]: I Cache使能
    0 - 禁用指令Cache
    1 - 使能指令Cache
*/

/* c12寄存器：VBAR (Vector Base Address Register) */
__get_VBAR(0x87800000);  // 设置异常向量表基地址

/* c15寄存器：CBAR (Configuration Base Address Register) */
mrc p15, 4, r0, c15, c0, 0  // 读取GIC寄存器物理基地址

5. 中断代码实现架构

(1) 模块化设计

/* 层次结构 */
┌─────────────────┐
│   应用层        │ ← 用户接口
├─────────────────┤
│   中断管理层    │ ← 中断注册/分发
├─────────────────┤
│   GPIO驱动层    │ ← 硬件操作
├─────────────────┤
│   硬件寄存器    │ ← 直接硬件访问
└─────────────────┘

(2) GPIO模块封装

/* gpio.h */
typedef struct {
    int direction;      // 方向：输入/输出
    int pull;          // 上拉/下拉
    int speed;         // 速度
    int drive_strength; // 驱动能力
} gpio_config_t;

/* 函数声明 */
void gpio_init(GPIO_Type *gpio, int pin, gpio_config_t *config);
int gpio_read(GPIO_Type *gpio, int pin);
void gpio_write(GPIO_Type *gpio, int pin, int value);
void gpio_set_interrupt(GPIO_Type *gpio, int pin, int edge_type, void (*callback)(void));

(3) 中断模块设计（OCP原则）

/* interrupt.h */
typedef void (*irq_handler_t)(int irq, void *data);

/* 中断控制器接口 */
void interrupt_init(void);
int register_irq(int irq_num, irq_handler_t handler, void *data);
void unregister_irq(int irq_num);
void enable_irq(int irq_num);
void disable_irq(int irq_num);

/* 应用示例 */
void key_interrupt_handler(int irq, void *data) {
    // 处理按键中断
    printf("Key pressed! IRQ: %d\n", irq);
}

int main() {
    // 初始化
    interrupt_init();
    
    // 注册中断处理函数（开放扩展）
    register_irq(GPIO1_IRQn, key_interrupt_handler, NULL);
    
    // 使能中断
    enable_irq(GPIO1_IRQn);
    
    while(1) {
        // 主任务（不会被中断打断的业务逻辑）
        // 按键处理已在中断中完成
    }
}

6. 代码优化原则

(1) 满足用户基本需求

• 可靠的按键检测

• 实时响应

• 易于使用

(2) 程序稳定可靠

• 中断嵌套处理

• 临界区保护

• 错误处理机制

(3) OCP原则（开放封闭原则）

• 对修改封闭：核心中断框架稳定，不轻易修改

• 对扩展开放：可以轻松添加新的中断处理函数

四、总结对比

特性	轮询方式	中断方式
响应速度	慢（依赖轮询间隔）	快（立即响应）
CPU占用	高（持续检查）	低（事件驱动）
实时性	差	优秀
代码复杂度	简单	较复杂
适用场景	简单应用	实时系统

五、实践建议

1. 调试技巧：

   • 使用LED指示灯辅助调试

   • 添加串口打印调试信息

   • 逐步验证每个配置步骤

2. 常见问题：

   • 中断未触发：检查GIC配置、GPIO中断使能

   • 中断频繁触发：检查消抖处理

   • 系统卡死：检查中断服务函数执行时间

3. 性能优化：

   • 中断服务函数尽量简短

   • 使用中断下半部处理耗时任务

   • 合理设置中断优先级