嵌入式学习笔记——使用寄存器编程实现按键输入功能

前言

昨天，通过配置通用输出模式，实现了LED灯的点亮、熄灭以及流水等操作，解决了通用输出的问题，今天我们再借用最常见的输入模块，按键来实现一个按键控制LED的功能，重点是配置GPIO为输入模式，以及如何检测GPIO的输入电平。

模块介绍

原理图

笔者用的这款最小系统有三个独立按键，可以操作，首先，第一步还是看原理图来确定我们需要使用的端口和管脚，可以看出K_UP使用的是PA0、K0使用的是PE4、KEY1使用的是PE3。

注意观察这三个按键的电路，其中KEY0和KEY1是没有上拉电阻的，只有按下按键直接接地这一个电平模式，这个我们在前面讲解GPIO模式的时候提到过，如果没有外部上拉的电路，想要实现高低电平的检测需要在内部编程实现上下拉，这两个按键就是需要使用到内部上拉，使得默认PE4、PE3端口默认是高电平，也就是1，只有按键按下，才会被拉到低电平，也就是0。
而K_UP，刚好相反，只有上拉电路，按下按键是高电平，不按下的时候应该要其默认状态是低，也就是说需要我们为其配置下拉。

编程思路

在看清楚检测原理后，就需要理清编程思路，根据昨天的按键技巧来，首先需要新建文件，命名保存key.c存在src文件夹下，key.h存在inc文件夹下，然后将Key.c添加到工程，再然后是定义头文件，编写初始化函数。

编写初始化代码：
伪代码：
①编写注释：
/***************************************************************************
*函数名 :Key_Init
*函数功能 :按键所用的管脚的初始化配置
*函数参数 :无
*函数返回值:无
*函数描述 :
KEY_UP------PA0------通用输入模式，默认状态采取内部下拉，按下按键为高电平
K0----------PE4------通用输入模式，默认状态采用内部上拉，按下按键为低电平
K1----------PE3------通用输入模式，默认状态采用内部上拉，按下按键为低电平
***************************************************************************/
②初始化函数
void Key_Init(void)
{
③使能对应端口的时钟，有两个，一个是GPIOA（昨天用过），一个是GPIOE；GPIOA对应第0位，GPIOE对应第4位。（先在数据手册查其挂接的时钟总线，然后再再第六章RCC找到对应使能进行配置）
④设置对应管脚的模式，为通用输入模式，分两组分别配置，A0：应该配置GPIOA的MODER 0 1两位，写入00；E3E4对应GPIOE的MODER的9 8 7 6 位，也都应该写入0000；
⑤设置上下拉，其中PA0设置为下拉模式，应该对GPIOA的PUPDR 的1 0两位写入10；PE4,PE3则应该将GPIOE的PUPDR 寄存器的9 8 7 6 位写入0101。
}
好了，可以发现整个配置过程比昨天的输入配置稍微简单一点，而且昨天输出使用的寄存器在按键输入上都是没有用上的。
接下来来看看代码吧。

//注释
void Key_Init(void)
{
    
    
	//打开AHB1上GPIOA端口
	RCC->AHB1ENR |= (1<<0);
	//打开GPIOE端口对应的AHB1时钟
	RCC->AHB1ENR |= (1<<4);
	//配置GPIOA0为通用输入模式
	GPIOA ->MODER &=~(3<<0);//清0  GPIOA_MODER寄存器为00通用输入模式
	GPIOA ->PUPDR &=~(3<<0);//清0  GPIOA_PUPDR寄存器为00 浮空
	GPIOA ->PUPDR|=(1<<1);//清0  GPIOA_PUPDR寄存器为10 下拉
	
	GPIOE->MODER &= ~(0XF<<6);//通用输入
	GPIOE->PUPDR &= ~(0XF<<6);//清零
	GPIOE->PUPDR |=  (0X5<<6);//写入0101配置为上拉模式
}

检测IO口的电平

在GPIO做输出的时候，是通过对对应端口的ODR寄存器的对应位进行写0与写1来实现输出低电平和高电平的，很明显，如果需要获取GPIO的输入状态，肯定只能采取读的方式，那么，该怎么读取呢，参照输出，肯定会有一个对应的输入数据寄存器用来获取GPIO的状态，前面介绍GPIO寄存器的时候提到过一个叫做IDR的寄存器，它的作用就是存储GPIO的高低电平的。也就是说，在获取输入信号时，需要直接操作的就是这个IDR寄存器的对应位。

其中Key_Up使用的是GPIOA->IDR的第0位；
K0使用的是GPIOE->IDR的第四位；K1使用的是GPIOE->IDR的第三位；
可以发现这个寄存器本身就是只读的，所以在编程的时候就不能对其使用‘=‘赋值语句。
由于需要获取IDR对应位的高和低，所以考虑使用 & 操作，在对应位 & 上1，当寄存器内部对弈位是1则输出1；当寄存器内部对应位是0则输出0；
具体的实现方式如下：

#define KEY_UP (GPIOA->IDR&(1<<0))//Key_Up的状态
#define KEY0 (GPIOE->IDR&(1<<3))  //KEY0的状态
#define KEY1 (GPIOE->IDR&(1<<4))  //KEY1的状态

采用宏定义的方式，这样通过条件判断KEY1、KEY0、KEY_UP是否为真即可知道按键是否按下，其中由于KEY1、KEY0是默认上拉，未按下时是高电平此时KEY1与KEY0是非0，只有按下按键才是低电平，此时KEY1和KEY0是0；而KEY_UP默认是下拉状态，默认是低电平，也就是KEY_UP是0；只有当按键按下，GPIO才变成高电平，KEY_UP是非0。
宏定义记得放回到Key.h的头文件中。

然后在主函数进行调用(记得添加Key.h进入main.h)。
1.检测按键状态，肯定是需要实时刷新才能检测到，因此有关判断必须放在While(1)主循环中，而不是上方的单次运行区；
2.三个按键的检测原理是不同的，KEY0与KEY1是需要检测低电平，所以判断按下的语句是if(!KEY0)和if(!KEY1)；而KEY_UP需要检测的是高电平，所以语句是if(KEY_UP);
3.为了看见效果，需要定义三个变量，Key_Up、k0、k1三个变量（使用ST-LINK仿真，用iWatch查看数据，当然也可以使用LED灯）；
4.使用一个模块之前一定要在初始化区调用对应模块的初始化函数。

main.c的代码：

#include "main.h"
u8 Led_Speed=5;
u8 Key_Up=0;
u8 k0=0;
u8 k1=0;
int main(void)
{
    
    
/*------------------变量定义区--------------------------*/

/*------------------初始化外设区------------------------*/
	Led_Init();
	Key_Init();
/*------------------单次运行区--------------------------*/	
	
	while(1)//防止程序跑飞
	{
    
    
/*------------------主循环区--------------------------*/		
			if(KEY_UP)Key_Up++;
			if(!KEY0)k0++;
			if(!KEY1)k1++;		
	}
}

按照上面的步骤和位置添加好代码后，编译通过即可，接下来开始使用iWatch调试。

Debug调试

编译通过后，点击1的位置，等待软件加载进入如下界面，这是调试与仿真的界面，为了直观地看见效果，现将上面定义的Key_Up、k0、k1添加到Watch中，这个框的作用就是可以方便查看仿真过程中变量的值，添加步骤如下图所示：

根据上面代码的逻辑，应该是按下对应按键这些值会对应自增1，按照想象来说，应该是按下一次数值自增1，实际效果会是这样吗。如下图所示：

可以发现，实际效果并不是按下一次按键变量自增一，而是按下一次自增了几十甚至几百，很明显这是有问题的。那么产生这个现象的原因是什么呢，其实就是前面提到过的主频问题，按照我们的代码逻辑，只要检测到对应IO是高或者是低，就自增，由于STM32F4的主频达到了168MHZ，也就是说它1秒钟可以跑完168M条机器指令，当我们按下按键的时候，它就开始增加，一直到我们松开按键，对于肉眼和感觉来说是很短暂，但是这个时间，单片机已经重复运算很多次了，这就会出现上面图片里的现象，那么要怎么解决这个问题呢。这就需要使用到按键扫描函数了。

按键扫描函数

出现上面的问题是因为在按下按键后if()的条件在一段时间内一直是真，导致变量一直自增，那么怎么解决一直自增的问题呢，这时候，前辈们想到了利用检测松手以及标志位锁住来解决这个问题，先看看代码：

/*******************************************
*函数名    :Key_Scanf
*函数功能  :按键扫描
*函数参数  :void 
*函数返回值:key_value键值
*函数描述  :
告诉主函数按下的是哪个按键。
判断案件是否按下，并返回对应键值。
*********************************************/
u8 Key_Scanf(void)
{
    
    
		u8 key_value=0;//初始键值
		static u8 Key_Flag=0;
		if(KEY_UP && Key_Flag == 0)//判断按键是否按下
		{
    
    
				key_value=1;//对按下的按键进行赋值
				Key_Flag=1;
		}
		if(!KEY_UP)//判断按键是否松开
		{
    
    
			Key_Flag =0;
		}
		return key_value;//返回键值
}

通过加加入了一个Key_Flag实现了对按键的判断锁定，检测到按键按下后，将标志位置位1，这样即使整个按下期间KEY_UP一直是真，由于后面的flag的限制，也无法造成影响，一直到检测到按键松开，才重新释放Key_Flag，这样也保证了下一次判断按键是否按下不受影响。在主函数调用，然后重复上面的Debug仿真。
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/452ea8456e5f4f6f9277902350add3bd.png

实现效果如下：

这次可以明显看出了是每次自增1，但是还是有点问题，就是有时候明明只按下了一次，缺连着加了两三个数，这是由于按键的物理抖动造成的。

为了解决这个问题，也有两种方式，一种是通过在按键两端并联电容的方式硬件消除，但是，实际使用中很少有这么干的毕竟能省则省；主要是因为另外一种方式是使用代码延时解决，不需要物料成本。

延时函数

这里介绍一下STM32简单的延时函数。前面提到过，STM32F407一秒钟可以运行168M条机器指令,1ms运行168 000条，1us运行168条机器指令，需要注意的是一条机器指令不等于一条C语句，按照传言，一条C语句可以近似等价于4条机器指令，但是那毕竟是传言，不一定准确。
按照上面的逻辑，我们让STM32F407单片机运行168条机器指令就可以得到一个近似1us的函数，可是上哪找这个机器指令呢，其实在工程中有一个机器指令，它就是__nop，于是有了如下的us延时与毫秒延时函数：

/*******************************************
*函数名    :Delay_us
*函数功能  :机器指令微妙延时函数
*函数参数  :微秒数u32 us
*函数返回值:无
*函数描述  :
利用机器指令nop实现延时
1s---------168M条机器指令
1ms---------168 000 条机器指令
1us---------168条机器指令
*********************************************/
void Delay_us(u32 utime)
{
    
    
	while(utime--)
	{
    
    
		//1us的延时时长
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
		__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();__nop();
	}
}


/*******************************
函数名：Delay_ms
函数功能：机器指令实现ms延时
函数形参：u32 mtime
函数返回值：void
备注：
1s  168M  
1MS 168k
1us 168
********************************/
void Delay_ms(u32 mtime)
{
    
    
	while(mtime--)
	{
    
    
		//1ms的延时
		Delay_us(1000);
	}
}

同样的，为了方便后面管理，也需要新建Delay.c与Delay.h然后将.c加入工程，将.h包含进main.h的头文件。
然后在Key_Scanf()函数中添加延时消抖，并将剩下两个按键添加进来,最后的Key_Scanf函数如下所示：

/*******************************************
*函数名    :Key_Scanf
*函数功能  :按键扫描
*函数参数  :void 
*函数返回值:key_value键值
*函数描述  :
告诉主函数按下的是哪个按键。
判断案件是否按下，并返回对应键值。
*********************************************/
u8 Key_Scanf(void)
{
    
    
		u8 key_value=0;//初始键值
		static u8 Key_Flag=0;
		if(KEY_UP && Key_Flag == 0)//判断按键KEY_UP是否按下
		{
    
    
			Delay_ms(10);//消抖
			if(KEY_UP)
			{
    
    
				key_value=1;//对按下的按键进行赋值
				Key_Flag=1;
			}
		}
		
		else if(!KEY0 && Key_Flag == 0)//判断按键KEY0是否按下
		{
    
    
			Delay_ms(10);//消抖
			if(!KEY0)
			{
    
    
				key_value=2;
				Key_Flag=1;
			}
		}
		else if(!KEY1 && Key_Flag == 0)//判断按键KEY1是否按下
		{
    
    
			Delay_ms(10);//消抖
			if(!KEY1)
			{
    
    
				key_value=3;
				Key_Flag=1;
			}
		}
		
		if(!KEY_UP&& KEY0 && KEY1)//判断按键是否松开
		{
    
    
			Key_Flag =0;
		}
		return key_value;//返回键值
}

功能实现

通过上面的流程，基本搞定了按键的输入检测，接下里实现一个小的需求，按下按键KEY_UP小灯1亮，按下KEY0小灯2亮，按下KEY1两个小灯一起灭。
具体实现的main.c如下：

int main(void)
{
    
    
/*------------------变量定义区--------------------------*/
 u8 K_Value=0; 
/*------------------初始化外设区------------------------*/
	Led_Init();
	Key_Init();
/*------------------单次运行区--------------------------*/	
	
	while(1)//防止程序跑飞
	{
    
    
/*------------------主循环区--------------------------*/		
		K_Value=Key_Scanf();
		switch(K_Value)
		{
    
    
			case 1:Key_Up++;LED_1_ON;break;
			case 2:k0++;LED_2(1);break;
			case 3:k1++;LED_1_OFF;LED_2(0);break;
			default : break;
		}
		
	}
}

最终效果：

总结

本文主要是记录将GPIO配置为输入模式，检测按键输入的功能，如有疑问欢迎提出，另外文中如有不足，也欢迎批评指正。