【STM32】入门（三）：按键使用-GPIO端口输出控制
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1、简述
在“【STM32】入门（二）：跑马灯-GPIO端口输出控制”中，我们是从代码入手，然后分析的手册及原理。本节将会从原理图入手，查询手册，然后分析代码。体验下实际的开发流程。
2、原理图
原理图如下，实际的按键只有KEY0、KEY1、KEY2以及一个复位按键。
2.1 普通按键
实际中没有KEY3，忽略它。这几个普通按键没有去抖电路，因此，需要在代码中用软件去抖。
按键去抖电路（硬件去抖）可以参见下面下复位按键电路。
KEY0、KEY1、KEY2 分别连接在引脚PF6、PF7、PF8上
2.2 复位按键
复位按键并联一个电容，实现了硬件去抖动设计，如下图所示：
复位按键连接在NRST引脚上：
3、数据手册
GPIOF寄存器映射如下：
外部复位引脚NRST为低电平时，产生系统复位。在手册“复位和时钟控制(RCC)”一章可以看到相关说明。
4、代码分析
4.1 源码如下
KEY0：按下时执行动作；
KEY1：按下抬起后执行动作；
KEY2：长按1秒后执行动作。
int main(void)
{
delay_init(); //延时函数初始化
LED_Init(); //LED初始化
KEY_Init(); //按键初始化
while(1)
{
key_scan(0);
#a）KEY0：按下时执行动作
if(keydown_data==KEY0_DATA)
{
LED0=0;
LED1=1;
LED2=1;
}
#b）KEY1：按下抬起后执行动作；
if(keyup_data==KEY1_DATA)
{
LED0=1;
LED1=0;
LED2=1;
}
#c)KEY2：长按1秒后执行动作，由于延时5ms扫描一次按键，所以5ms*200=1S
if(key_tem==KEY2_DATA && key_time>200)
{
LED0=1;
LED1=1;
LED2=0;
}
delay_ms(5);
}
}
相关变量、函数定义在另一个文件中key.h中
#define KEY0 PFin(6)
#define KEY1 PFin(7)
#define KEY2 PFin(8)
#define KEY3 PFin(9)
//按键值定义
#define KEY0_DATA 1
#define KEY1_DATA 2
#define KEY2_DATA 3
#define KEY3_DATA 4
//变量声明
extern u8 keydown_data; //按键按下后就返回的值
extern u8 keyup_data; //按键抬起返回值
extern u16 key_time;
extern u8 key_tem;
//函数声明
void KEY_Init(void); //IO初始化
void key_scan(u8 mode); //按键扫描函数
4.2 delay_init
延时函数初始化，在跑马灯程序中也有，但是没有进一步分析。这里详细分析下，延时相关函数。
延时使用Systick定时器也叫滴答定时器,是内核级别的24位倒计数简单定时器,常用做延迟和系统心跳时钟。
定时器的操作步骤：
- 设置 SysTick 定时器的时钟源
- 设置 SysTick 定时器的重装初始值（如果要使用中断的话，就将中断 使能打开）
- 清零 SysTick 定时器当前计数器的值。
- 打开 SysTick 定时器
delay_init初始化主要是设置 SysTick 定时器的时钟源
void delay_init()
{
#a）设置 SysTick 定时器的时钟源：采用AHB总线时钟的八分频
SysTick_CLKSourceConfig(SysTick_CLKSource_HCLK_Div8);
#b）计算SYSCLK的8分频时，经过1us的计数次数
fac_us=SYSCLK/8;
fac_ms=(u16)fac_us*1000; //每个ms需要的systick时钟数
}
# c）实际配置函数很简单，最终执行：SysTick->CTRL &= SysTick_CLKSource_HCLK_Div8;
void SysTick_CLKSourceConfig(uint32_t SysTick_CLKSource)
{
if (SysTick_CLKSource == SysTick_CLKSource_HCLK)
{
SysTick->CTRL |= SysTick_CLKSource_HCLK;
}
else
{
SysTick->CTRL &= SysTick_CLKSource_HCLK_Div8;
}
}
手册中关于定时器时钟的描述：
4.3 delay_ms
实际延时函数为delay_xms，但是delay_xms最大只能延时798ms；
在超频到248M的时候,delay_xms最大只能延时541ms。
因此在delay_ms中循环调用delay_ms来实现0~65535ms的延时
void delay_ms(u16 nms)
{
u8 repeat=nms/540; //这里用540,是考虑到某些客户可能超频使用,
//比如超频到248M的时候,delay_xms最大只能延时541ms左右了
u16 remain=nms%540;
while(repeat)
{
delay_xms(540);
repeat--;
}
if(remain)delay_xms(remain);
}
SysTick->LOAD为24位寄存器,所以,最大延时为: nms<=0xffffff81000/SYSCLK，对168M条件下,nms<=798ms
void delay_xms(u16 nms)
{
u32 midtime;
#a）时间加载(SysTick->LOAD为24bit)，设置 SysTick 定时器的重装初始值
SysTick->LOAD=(u32)nms*fac_ms;
#b)清零 SysTick 定时器
SysTick->VAL =0x00;
#c）打开 SysTick 定时器
SysTick->CTRL|=SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
do
{
midtime=SysTick->CTRL;
}
#d）等待时间到达
while((midtime&0x01)&&!(midtime&(1<<16)));
#e）关闭SysTick 定时器
SysTick->CTRL&=~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
SysTick->VAL =0X00;
}
相关手册：《STM32F3与F4系列Cortex M4内核编程手册》
4.4 KEY_Init
按键初始化和跑马灯中的初始化相似，不同的是将引脚模式设置为输入模式，输入引脚不需要设置推挽、开漏
void KEY_Init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOF, ENABLE); //使能GPIOF时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7|GPIO_Pin_8|GPIO_Pin_9; //KEY0 KEY1 KEY2 KEY3对应引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; //普通输入模式
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz; //100M
GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; //上拉
GPIO_Init(GPIOF, &GPIO_InitStructure); //初始化GPIOF6,7,8,9
}
4.5 按键定义（位带别名）
#define KEY0 PFin(6)
#define KEY1 PFin(7)
#define KEY2 PFin(8)
#define KEY3 PFin(9)
PFin的宏定义：#define PFin(n) BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n) //输入
最终使用的宏定义：#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
在《STM32F3与F4系列Cortex M4内核编程手册》中有关于位带别名计算公式为：
bit_word_addr = bit_band_base + (byte_offset x 32) + (bit_number × 4)
和BITBAND宏对应，其中
“+0x2000000”为原地址到位带别名地址的偏移
“(addr &0xFFFFF)<<5”为“byte_offset x 32”（2的五次方=32）；
“bitnum<<2”为bit_number × 4（2的二次方=4）
关于位带别名的详细说明参见下面“5、位带别名”
//IO口操作宏定义
#define BITBAND(addr, bitnum) ((addr & 0xF0000000)+0x2000000+((addr &0xFFFFF)<<5)+(bitnum<<2))
#define MEM_ADDR(addr) *((volatile unsigned long *)(addr))
#define BIT_ADDR(addr, bitnum) MEM_ADDR(BITBAND(addr, bitnum))
//IO口地址映射
#define GPIOA_ODR_Addr (GPIOA_BASE+20) //0x40020014
#define GPIOB_ODR_Addr (GPIOB_BASE+20) //0x40020414
#define GPIOC_ODR_Addr (GPIOC_BASE+20) //0x40020814
#define GPIOD_ODR_Addr (GPIOD_BASE+20) //0x40020C14
#define GPIOE_ODR_Addr (GPIOE_BASE+20) //0x40021014
#define GPIOF_ODR_Addr (GPIOF_BASE+20) //0x40021414
#define GPIOG_ODR_Addr (GPIOG_BASE+20) //0x40021814
#define GPIOH_ODR_Addr (GPIOH_BASE+20) //0x40021C14
#define GPIOI_ODR_Addr (GPIOI_BASE+20) //0x40022014
#define GPIOA_IDR_Addr (GPIOA_BASE+16) //0x40020010
#define GPIOB_IDR_Addr (GPIOB_BASE+16) //0x40020410
#define GPIOC_IDR_Addr (GPIOC_BASE+16) //0x40020810
#define GPIOD_IDR_Addr (GPIOD_BASE+16) //0x40020C10
#define GPIOE_IDR_Addr (GPIOE_BASE+16) //0x40021010
#define GPIOF_IDR_Addr (GPIOF_BASE+16) //0x40021410
#define GPIOG_IDR_Addr (GPIOG_BASE+16) //0x40021810
#define GPIOH_IDR_Addr (GPIOH_BASE+16) //0x40021C10
#define GPIOI_IDR_Addr (GPIOI_BASE+16) //0x40022010
//IO口操作,只对单一的IO口!
//确保n的值小于16!
#define PAout(n) BIT_ADDR(GPIOA_ODR_Addr,n) //输出
#define PAin(n) BIT_ADDR(GPIOA_IDR_Addr,n) //输入
#define PBout(n) BIT_ADDR(GPIOB_ODR_Addr,n) //输出
#define PBin(n) BIT_ADDR(GPIOB_IDR_Addr,n) //输入
#define PCout(n) BIT_ADDR(GPIOC_ODR_Addr,n) //输出
#define PCin(n) BIT_ADDR(GPIOC_IDR_Addr,n) //输入
#define PDout(n) BIT_ADDR(GPIOD_ODR_Addr,n) //输出
#define PDin(n) BIT_ADDR(GPIOD_IDR_Addr,n) //输入
#define PEout(n) BIT_ADDR(GPIOE_ODR_Addr,n) //输出
#define PEin(n) BIT_ADDR(GPIOE_IDR_Addr,n) //输入
#define PFout(n) BIT_ADDR(GPIOF_ODR_Addr,n) //输出
#define PFin(n) BIT_ADDR(GPIOF_IDR_Addr,n) //输入
#define PGout(n) BIT_ADDR(GPIOG_ODR_Addr,n) //输出
#define PGin(n) BIT_ADDR(GPIOG_IDR_Addr,n) //输入
#define PHout(n) BIT_ADDR(GPIOH_ODR_Addr,n) //输出
#define PHin(n) BIT_ADDR(GPIOH_IDR_Addr,n) //输入
#define PIout(n) BIT_ADDR(GPIOI_ODR_Addr,n) //输出
#define PIin(n) BIT_ADDR(GPIOI_IDR_Addr,n) //输入
4.6 key_scan
当 mode 为 0 的时候， key_scan函数将不支持连续按， 扫描某个按键，该按键按下之后必须要松开，才能第二次触发，否则不会再响应这个按键，这样的好处就是可以防止按一次多次触发，而坏处就是在需要长按的时候比较不合适。
当 mode 为 1 的时候， KEY_Scan 函数将支持连续按，如果某个按键一直按下，则会一直返回这个按键的键值，这样可以方便的实现长按检测。 该函数有返回值，如果有按键按下，则返回非 0 值，如果没有或者按键不正确，则返回 0。
void key_scan(u8 mode)
{
#a）为了保证键抬起值只有一次有效，再次进入扫描时，将键抬起清零
keyup_data=0;
#b）有键正按下
if(KEY0==0||KEY1==0||KEY2==0||KEY3==0){
if(KEY0==0) key_tem=1;
else if(KEY1==0) key_tem=2;
else if(KEY2==0) key_tem=3;
#c）有键按下后第一次扫描不处理，与else配合第二次扫描有效，这样实现了去抖动
if (key_tem == key_bak){
#d）有键按下后执行一次扫描函数，该变量加1
key_time++;
#e）按键值赋予keydown_data
keydown_data=key_tem;
#f）在单按模式下key_time>1时按键值无效；如果mode为1就为连按
if( (mode==0)&&(key_time>1) )
keydown_data=0;
#g）去抖动
}else{
key_time=0;
key_bak=key_tem;
}
#h）键抬起
}else{
#i）按键抬起后返回一次按键值
if(key_time>2){
#j）键抬起后按键值赋予keydown_data
keyup_data=key_tem;
}
#k）清零，不然下次执行扫描程序时按键的值跟上次按的值一样，抖动功能将会失效
key_bak=0;
key_time=0;
keydown_data=0;
}
}
执行完后，通过变量 keydown_data、keyup_data、key_tem及key_time 来获取按下、抬起、长按的键
5、位带别名
位带区：支持位带操作的地址区；
位带别名：对别名地址的访问最终作用到位带区的访问上（这中途有一个地址映射过程）；
位带别名操作就是：操作位带别名的一个字相当于操作位带区中一位，映射关系如下图：
设置一个位带别名操作，在《STM32F3与F4系列Cortex M4内核编程手册》中有如下说明：
计算公式为：bit_word_addr = bit_band_base + (byte_offset x 32) + (bit_number × 4)
和代码中 BITBAND 宏对应，其中
“+0x2000000”为原地址到位带别名地址的偏移
“(addr &0xFFFFF)<<5”为“byte_offset x 32”（2的五次方=32）；
“bitnum<<2”为bit_number × 4（2的二次方=4）
支持位带操作的两个内存区的范围是：
0x2000_0000‐0x200F_FFFF（SRAM 区中的最低 1MB）
0x4000_0000‐0x400F_FFFF（片上外设区中的最低 1MB）
对 SRAM 位带区的某个比特，记它所在字节地址为 A,位序号为 n(0<=n<=7)，则该比特在别名区的地址为：
AliasAddr=0x22000000+((A-0x20000000)*8+n)*4=0x22000000+(A-0x20000000)*32+n*4
对于片上外设位带区的某个比特，记它所在字节的地址为 A,位序号为 n(0<=n<=7)，则该比特在别名区的地址为：
AliasAddr=0x42000000+((A-0x40000000)*8+n)*4=0x42000000+(A-0x40000000)*32+n*4
上式中，“*4”表示一个字为 4 个字节，“*8”表示一个字节中有 8 个比特。