簡(jiǎn)要分析Thread的通用GPIO設(shè)備驅(qū)動(dòng)

1 本文的目的和結(jié)構(gòu)

1.1 本文的目的和背景

為了給用戶提供操作GPIO的通用API，方便應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，RT-Thread中引入了通用GPIO設(shè)備驅(qū)動(dòng)。并提供類(lèi)似Arduino風(fēng)格的API用于操作GPIO，如設(shè)置GPIO模式和輸出電平、讀取GPIO輸入電平、配置GPIO外部中斷。本文說(shuō)明了如何使用RT-Thread的通用GPIO設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

1.2 本文的結(jié)構(gòu)

本文首先描述了RT-Thread 通用GPIO設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基本情況，接下來(lái)給出了在正點(diǎn)原子STM32F4探索者開(kāi)發(fā)板上驗(yàn)證的代碼示例，最后詳細(xì)描述了通用GPIO設(shè)備驅(qū)動(dòng)API的參數(shù)取值和注意事項(xiàng)。

2 問(wèn)題闡述

RT-Thread提供了一套簡(jiǎn)單的I/O設(shè)備管理框架，它把I/O設(shè)備分成了三層進(jìn)行處理：應(yīng)用層、I/O設(shè)備管理層、硬件驅(qū)動(dòng)層。應(yīng)用程序通過(guò)RT-Thread的設(shè)備操作接口獲得正確的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，然后通過(guò)這個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)與底層I/O硬件設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)（或控制）交互。RT-Thread提供給上層應(yīng)用的是一個(gè)抽象的設(shè)備操作接口，給下層設(shè)備提供的是底層驅(qū)動(dòng)框架。對(duì)于通用GPIO設(shè)備，應(yīng)用程序既可以通過(guò)設(shè)備操作接口訪問(wèn)，又可以直接通過(guò)通用GPIO設(shè)備驅(qū)動(dòng)來(lái)訪問(wèn)。一般來(lái)說(shuō)，我們都是使用第二種方式，那么如何在RT-Thread中使用通用GPIO設(shè)備驅(qū)動(dòng)從而操作GPIO呢？

圖A. 1 RT-Thread設(shè)備管理框架

3 問(wèn)題的解決

本文基于正點(diǎn)原子STM32F4探索者開(kāi)發(fā)板，給出了通用GPIO設(shè)備的具體應(yīng)用示例代碼，包含管腳輸入、輸出和外部中斷的使用方法。由于RT-Thread上層應(yīng)用API的通用性，因此這些代碼不局限于具體的硬件平臺(tái)，用戶可以輕松將它移植到其它平臺(tái)上。

正點(diǎn)原子 STM32F4 探索者開(kāi)發(fā)板使用的MCU是 STM32F407ZET6，板載2顆LED和4個(gè)獨(dú)立按鍵。LED分別連接到MCU的GPIOF9、GPIOF10，KEY0按鍵連接到GPIOE4，KEY1按鍵連接到GPIOE3，KEY2按鍵連接到GPIOE2，WK_UP按鍵連接到GPIOA0，2顆LED均為低電平點(diǎn)亮，獨(dú)立按鍵KEY0、KEY1、KEY2按下為低電平；WK_UP按下為高電平。

圖A. 2 實(shí)驗(yàn)用正點(diǎn)原子開(kāi)發(fā)板

3.1 準(zhǔn)備和配置工程

1. 下載 RT-Thread 源碼 https://github.com/RT-Thread/rt-thread

2. 進(jìn)入 rt-threadspstm32f4xx-HAL 目錄，在 env 命令行中輸入menuconfig，進(jìn)入配置界面，使用 menuconfig 工具（學(xué)習(xí)如何使用）配置工程。

1）在menuconfig配置界面依次選擇RT-Thread Components ---》 Device Drivers ---》 Using generic GPIO device drivers，如圖所示：

圖A. 3 menuconfig中開(kāi)啟GPIO驅(qū)動(dòng)

2）輸入scons --target=mdk5 -s

命令生成mdk5工程。將本應(yīng)用筆記附帶的main.c替換掉bsp中的main.c，如圖所示：

圖A. 4 加入測(cè)試代碼

3）編譯，下載程序，在終端輸入list_device命令可以看到pin device、類(lèi)型是Miscellaneous Device就說(shuō)明通用GPIO設(shè)備驅(qū)動(dòng)添加成功了。

圖A. 5 查看pin設(shè)備

下面是3個(gè)通用GPIO設(shè)備驅(qū)動(dòng)API應(yīng)用示例，分別是：GPIO輸出、GPIO輸入、GPIO外部中斷，這些代碼在正點(diǎn)原子STM32F4探索者開(kāi)發(fā)板上驗(yàn)證通過(guò)。

3.2 GPIO輸出配置

示例1：配置GPIO為輸出，點(diǎn)亮LED。根據(jù)原理圖，GPIOF9連接到了板載紅色LED，絲印為DS0；GPIOF10連接到了板載綠色LED，絲印為DS1。GPIOF9輸出低電平則點(diǎn)亮DS0，GPIOF9輸出高電平則DS0不亮；GPIOF10輸出低電平則點(diǎn)亮DS1，GPIOF10輸出高電平則DS1不亮。

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圖A. 6 LED原理圖

#define LED0 21 //PF9--21，在 drv_gpio.c 文件 pin_index pins［］中查到 PF9 編號(hào)為 21

#define LED1 22 //PF10--21，在 drv_gpio.c 文件 pin_index pins［］中查到 PF10 編號(hào)為 22

void led_thread_entry（void* parameter）

{

//設(shè)置管腳為輸出模式

rt_pin_mode（LED0， PIN_MODE_OUTPUT）;

//設(shè)置管腳為輸出模式

rt_pin_mode（LED1， PIN_MODE_OUTPUT）;

while （1）

{

//輸出低電平，LED0 亮

rt_pin_write（LED0， PIN_LOW）;

//輸出低電平，LED1 亮

rt_pin_write（LED1， PIN_LOW）;

//掛起 500ms

rt_thread_delay（rt_tick_from_millisecond（500））;

//輸出高電平，LED0 滅

rt_pin_write（LED0， PIN_HIGH）;

//輸出高電平，LED1 滅

rt_pin_write（LED1， PIN_HIGH）;

//掛起 500ms

rt_thread_delay（rt_tick_from_millisecond（500））;

}

在線程入口函數(shù)led_thread_entry里首先調(diào)用rt_pin_mode設(shè)置管腳模式為輸出模式，然后就進(jìn)入while（1）循環(huán)，間隔500ms調(diào)用rt_pin_write來(lái)改變GPIO輸出電平。

下面是創(chuàng)建線程的代碼：

rt_thread_t tid;//線程句柄

/* 創(chuàng)建led線程 */

tid = rt_thread_create（“l(fā)ed”，

led_thread_entry，

RT_NULL，

1024，

3，

10）;

/* 創(chuàng)建成功則啟動(dòng)線程 */

if （tid ！= RT_NULL）

rt_thread_startup（tid）;

編譯、下載程序，我們將看到LED間隔500ms閃爍的現(xiàn)象。

3.3 GPIO輸入配置

示例2：配置GPIOE3、GPIOE2為上拉輸入，GPIOA0為下拉輸入，檢測(cè)按鍵信號(hào)。根據(jù)原理圖，GPIOE3連接到按鍵KEY1，按鍵被按下時(shí)GPIOE3應(yīng)讀取到低電平，按鍵沒(méi)有被按下時(shí)GPIOE3應(yīng)讀取到高電平；GPIOE2連接到按鍵KEY2，按鍵被按下時(shí)GPIOE2應(yīng)讀取到低電平，按鍵沒(méi)有被按下時(shí)GPIOE2應(yīng)讀取到高電平；GPIOA0連接到按鍵WK_UP，按鍵被按下時(shí)GPIOA0應(yīng)讀取到高電平，按鍵沒(méi)有被按下時(shí)GPIOA0應(yīng)讀取到低電平。

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圖A. 7 按鍵原理圖

#define KEY1 2 //PE3--2，在 drv_gpio.c 文件 pin_index pins［］中查到 PE3 編號(hào)為 2

#define KEY2 1 //PE2--1，在 drv_gpio.c 文件 pin_index pins［］中查到 PE2 編號(hào)為 1

#define WK_UP 34 //PA0--34，在 drv_gpio.c 文件 pin_index pins［］中查到 PA0 編號(hào)為 34

void key_thread_entry（void* parameter）

{

//PE2、PE3設(shè)置上拉輸入

rt_pin_mode（KEY1， PIN_MODE_INPUT_PULLUP）;

rt_pin_mode（KEY2， PIN_MODE_INPUT_PULLUP）;

//PA0設(shè)置為下拉輸入

rt_pin_mode（WK_UP， PIN_MODE_INPUT_PULLDOWN）;

while （1）

{

//檢測(cè)到低電平，即按鍵1按下了

if （rt_pin_read（KEY1） == PIN_LOW）

{

rt_kprintf（“key1 pressed！ ”）;

}

//檢測(cè)到低電平，即按鍵2按下了

if （rt_pin_read（KEY2） == PIN_LOW）

{

rt_kprintf（“key2 pressed！ ”）;

}

//檢測(cè)到高電平，即按鍵wp按下了

if （rt_pin_read（WK_UP） == PIN_HIGH）

{

rt_kprintf（“WK_UP pressed！ ”）;

}

//掛起10ms

rt_thread_delay（rt_tick_from_millisecond（10））;

}

在線程入口函數(shù)key_thread_entry里首先調(diào)用rt_pin_mode設(shè)置管腳GPIOE3為上拉輸入模式。這樣當(dāng)用戶按下按鍵KEY1時(shí)，GPIOE3讀取到的電平是低電平；按鍵未被按下時(shí)，GPIOE3讀取到的電平是高電平。然后進(jìn)入while（1）循環(huán)，調(diào)用rt_pin_read讀取管腳GPIOE3電平，如果讀取到低電平則表示按鍵KEY1被按下，就在終端打印字符串“key1 pressed！”。每隔10ms檢測(cè)一次按鍵輸入情況。

下面是創(chuàng)建線程的代碼：

rt_thread_t tid;

/* 創(chuàng)建key線程 */

tid = rt_thread_create（“key”，

key_thread_entry，

RT_NULL，

1024，

2，

10）;

/* 創(chuàng)建成功則啟動(dòng)線程 */

if （tid ！= RT_NULL）

rt_thread_startup（tid）;

編譯、下載程序，我們按下開(kāi)發(fā)板上的用戶按鍵，終端將打印提示字符。

3.4 GPIO中斷配置

示例3：配置GPIO為外部中斷模式、下降沿觸發(fā)，檢測(cè)按鍵信號(hào)。根據(jù)原理圖，GPIOE4連接到按鍵KEY0，按鍵被按下時(shí)MCU應(yīng)探測(cè)到電平下降沿。

#define KEY0 3 //PE4--3，在gpio.c文件pin_index pins［］中查到PE4編號(hào)為3

void hdr_callback（void *args）//回調(diào)函數(shù)

{

char *a = args;//獲取參數(shù)

rt_kprintf（“key0 down！ %s ”，a）;

}

void irq_thread_entry（void* parameter）

{

//上拉輸入

rt_pin_mode（KEY0， PIN_MODE_INPUT_PULLUP）;

//綁定中斷，下降沿模式，回調(diào)函數(shù)名為hdr_callback

rt_pin_attach_irq（KEY0， PIN_IRQ_MODE_FALLING， hdr_callback，（void*）“callback

args”）;

//使能中斷

rt_pin_irq_enable（KEY0， PIN_IRQ_ENABLE）;

}

在線程入口函數(shù)irq_thread_entry里首先調(diào)用rt_pin_attach_irq設(shè)置管腳GPIOE4為下降沿中斷模式，并綁定了中斷回調(diào)函數(shù)，還傳入了字符串“callback args”。然后調(diào)用rt_pin_irq_enable使能中斷，這樣按鍵KEY0被按下時(shí)MCU會(huì)檢測(cè)到電平下降沿，觸發(fā)外部中斷，在中斷服務(wù)程序中會(huì)調(diào)用回調(diào)函數(shù)hdr_callback，在回調(diào)函數(shù)中打印傳入的參數(shù)和提示信息。

下面是創(chuàng)建線程的代碼：

rt_thread_t tid;//線程句柄

/* 創(chuàng)建irq線程 */

tid = rt_thread_create（“exirq”，

irq_thread_entry，

RT_NULL，

1024，

4，

10）;

/* 創(chuàng)建成功則啟動(dòng)線程 */

if （tid ！= RT_NULL）

rt_thread_startup（tid）;

編譯、下載程序，我們按下按鍵KEY0，終端將打印提示字符。

3.5 I/O設(shè)備管理框架和通用GPIO設(shè)備聯(lián)系

RT-Thread自動(dòng)初始化功能依次調(diào)用rt_hw_pin_init ===》 rt_device_pin_register ===》 rt_device_register完成了GPIO硬件初始化。rt_device_register注冊(cè)設(shè)備類(lèi)型為RT_Device_Class_Miscellaneous，即雜類(lèi)設(shè)備，從而我們就可以使用統(tǒng)一的API操作GPIO。

圖A. 8 通用GPIO驅(qū)動(dòng)和設(shè)備管理框架聯(lián)系

更多關(guān)于I/O設(shè)備管理框架的說(shuō)明，請(qǐng)參考《RT-Thread編程手冊(cè)》第 6 章 I/O設(shè)備管理，在線查看地址：https://www.rt-thread.org/document/site/zh/1chapters/06-chapter_device/?