燚智能周教授-智能硬件開發實戰派-前期回顧

詳解單片機内部核心部件-CPU-PMU-ROM-RAM

面試官：

“聽說過GPIO麼？”

工程師：

“聽說過，經常用。”

“GPIO是什麼？“”

“。。。。。。GPIO就是GPIO啊。。。”

“GPIO有什麼用？”

“。。。。。。不知道。。。”

“好了，你可以回去了。”

這是我們面試畢業生的時候經常遇到的場景。

其實也不能怪面試者不懂，因為學校裡真的沒教過，培訓學校也不會幫你把這些零散知識點串聯起來，在網上查資料更是晦澀難懂。

GPIO控制LED燈的開關

GPIO用來做開關控制，是最常見的應用場景。

如上圖，P21這個GPIO口，輸出1的時候，LED403點亮，輸出0或者沒有輸出的時候，LED403熄滅。

GPIO口是怎麼被控制的呢？通過軟件代碼。需要亮燈的時候調用GPIO口拉高的函數，需要熄燈的時候調用GPIO拉低的函數，即可實現控制。

函數的操作，最終變成了向這個GPIO的硬件寄存器寫入數據，硬件的狀态會跟随寄存器的數據改變而改變。

硬件寄存器在這裡可以理解為一個電子開關，好比你告訴家裡的保姆說“去吧客廳的燈關上”，他就走過去按動燈的開關，然後燈就滅了。你下的這個指令的動作相當于調用了GPIO操作的函數，保姆去按開關這個動作相當于函數配置寄存器。

當然你也可以直接去按這個開關（直接操作寄存器），這個做法雖然能工作，但是在代碼設計中是不符合規範的。後續修改中很容易導緻誤操作。

實際操作中需要預先初始化，配置GPIO的參數，把寄存器建立接口給其他進程調用等軟件類的操作，這裡就不詳述了。

重力傳感器輸出中斷信号給MCU的GPIO口

G-sensor，也叫做重力傳感器/加速度傳感器/運動傳感器，檢測設備是否在運動的。咱們平時用的藍牙手環的計步器主要就是根據G-sensor采樣回來的運動數據計算而來的。

設備不動的時候，G-sensor和MCU都是休眠狀态以節省電量。

設備動一動，G-sensor感受到了就被喚醒了，就往中斷口上（GSENSOR_INT）發一個高電平信号，MCU感受到這個中斷口的電平從低變成高了，就退出休眠開始正常運行。

然後MCU就通過I2C數據接口讀取G-sensor裡的數據。

如何理解中斷呢？你正在睡覺，突然有人來找你，他就要先把你搖醒才行。這就是把你的睡眠中斷了，讓你從睡眠中被喚醒（如同上述例子）。

同樣，如果你正在看電影，突然手機鈴聲響了，一看是女朋友來電話了，就要把電影暫停，保留電影當前的播放位置，然後去接女朋友的電話。接完了電話，再繼續從之前的播放位置開始播放。

這個電話就是中斷信号，保存電影位置就是中斷響應前的狀态入棧，接電話的過程就是中斷服務程序，挂了電話繼續播放就是中斷的狀态出棧。

可能有人會說，為什麼多此一舉，G-sensor不能直接把數據發送給MCU麼？這是因為I2C隻能由主設備主動發起數據傳輸的請求，從設備是不能主動發送數據的（隻能任由主設備過來讀取數據）。關于I2C協議的内容，請見相關文章。

但凡I2C接口且持續工作的設備，都需要有一個中斷輸出，用來告訴主機“我已經準備好數據了，你快點過來取走吧”。

用GPIO做中斷，還需要特别特别注意一條：如果選擇這個中斷口來喚醒系統，那一定要對照芯片規格書看清楚，選擇的中斷口能不能喚醒系統？

對于大部分單片機，幾乎每一個中斷口都可以喚醒系統，但對于高主頻的處理器，如手機和平闆電腦的，并不是所有的GPIO都可以配置成中斷，也不是所有的中斷都能喚醒系統。

如果選擇了一個不能喚醒系統的中斷口做上述示例，一旦MCU進入休眠，外設就失效了。

GPIO做按鍵檢測

按鍵嚴格來講也是個中斷。GPIO口默認狀态是低電平，按鍵按下後被拉到高電平，此時系統能夠檢測到中斷，判定為按鍵按下。

等到按鍵釋放了，GPIO口檢測到電壓回歸低電平，就判定為按鍵松開了。

這種做法是單片機上比較常見的做法。在智能一些的硬件平台上，往往會有獨立的硬件按鍵接口（非GPIO口），在芯片内部加入按鍵控制器，通過硬件實現按鍵的去抖、雙擊和長按判斷。

對于單片機，一旦被按鍵觸發之後，内部就開始跑程序，每隔幾個毫秒讀取一次按鍵狀态，判斷按鍵是否被釋放。通過軟件實現去抖、雙擊和長按的功能。

圖上的電容，用處是濾除外部幹擾，避免被誤觸發，同時起到一定的按鍵去抖作用。圖上的TVS管，是為了防止靜電進入CPU。

可能會有人問，按鍵按下就是按下了，為什麼會抖動？

因為按鍵都是機械式的，兩個金屬片在接觸的瞬間，從微秒級的時間段來看，會存在接觸-斷開-再接觸這樣的輕微的抖動。直到兩個金屬片牢牢的接觸到一起之後，抖動才會消失。所謂按鍵去抖動，就是通過延時來消除掉接觸再斷開這種異常狀态的。

如果GPIO口不夠，但是需要做多個按鍵的檢測，也可以把按鍵配置成為ADC，通過不同按鍵産生不同的電壓，來利用一個ADC口檢測到不同的鍵值。這個做法通常用于手機3.5mm有線耳機上的3個按鍵的檢測。

稍後将發布 GPIO文章下篇，講述更多用法。

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