3.2 按键输入与外部中断

3.2 按键输入与外部中断

上一节点亮了 LED，完成了"执行"方向；这一节打通"感知"方向——读取按键。围绕按键会自然长出三块知识：输入引脚的配置与采样（IDR）、机械抖动的真面目与状态机消抖、以及把输入事件直送 CPU 的外部中断（EXTI + NVIC）。中断是嵌入式从"轮询"迈向"事件驱动"的分水岭，第 4、6 章的定时器中断和 RTOS 都以它为前提。

输入引脚：为什么要上拉

把按键一端接 PA0、另一端接 GND，按下时 PA0 接地是低电平；可松开时 PA0 悬空——悬空引脚的电平随电磁环境漂移，读数毫无意义。解决办法是给引脚一个"默认值"：上拉电阻把空闲态拉到高电平，按下才变低。STM32 允许片内集成这个上拉（约 40 kΩ），就是 3.1 节末尾配过的"输入 + CNF=10 + ODR 写 1"组合：

#include "stm32f10x.h"

void key_pa0_init(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;    /* 开 GPIOA 时钟 */
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN;    /* AFIO 也要开：EXTI 映射归它管 */

    GPIOA->CRL &= ~(0xFUL << 0);           /* PA0 位段在 CRL 的 0-3 位 */
    GPIOA->CRL |=  (0x8UL << 0);           /* MODE=00 输入，CNF=10 上拉/下拉 */
    GPIOA->ODR |=  (1UL << 0);             /* 选上拉：空闲为高，按下为低 */
}
​

板上有外部上拉电阻时（很多按键模块自带），配成 CNF=01 浮空输入即可，省内部电阻。两种接法没有优劣，看硬件给没给条件。

抖动：按键不是理想开关

理想按键按下瞬间电平干净利落；真实按键的金属触点闭合时会弹跳几下，电平在高低之间抖动几毫秒到十几毫秒。用逻辑分析仪抓一次就能看到真面目：一次按下，波形上可能串着五六个毛刺。若程序读到下降沿就立刻响应，一次按压会被当成多次。

先看反面教材——最常见但最伤性能的写法：

/* 反面教材：检测到低电平就死等 20 ms。等待期间 CPU 什么都干不了，
   且如果这 20 ms 里又有新事件，程序浑然不知。 */
if (!(GPIOA->IDR & (1UL << 0))) {
    busy_delay(20000);                     /* 20 ms 阻塞 */
    if (!(GPIOA->IDR & (1UL << 0))) {
        toggle_led();
        while (!(GPIOA->IDR & (1UL << 0))) { }  /* 等松手，又是一段阻塞 */
    }
}
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能工作，但三宗罪：阻塞 CPU、无法响应并发事件、等松手期间完全失聪。工程正解是状态机消抖：不等待，只定期采样，用计数把毛刺滤掉。把"按下了"变成一个状态迁移事件，主循环其他部分照常运转：

/* 状态机消抖：每 5 ms 调用一次（节拍来自第 4 章的定时器，或主循环计次）*/
typedef enum { KEY_IDLE = 0, KEY_PRESSED } key_state_t;

static key_state_t key_state = KEY_IDLE;
static uint8_t     stable_cnt = 0;

/* 返回 1 表示"一次完整按压已确认"，其余时刻返回 0 */
uint8_t key_scan_tick(void)
{
    uint8_t pressed_now = !(GPIOA->IDR & (1UL << 0));   /* 低电平 = 按下 */

    switch (key_state) {
    case KEY_IDLE:
        if (pressed_now) {
            if (++stable_cnt >= 4) {        /* 连续 4 次（20 ms）都为按下才认账 */
                key_state  = KEY_PRESSED;
                stable_cnt = 0;
                return 1;                    /* 抖动毛刺最多持续十几 ms，4 个采样点足够滤净 */
            }
        } else {
            stable_cnt = 0;                  /* 中途松开则清零重来 */
        }
        break;

    case KEY_PRESSED:
        if (!pressed_now) {
            if (++stable_cnt >= 4) {         /* 连续 4 次确认松开，防松手抖动 */
                key_state  = KEY_IDLE;
                stable_cnt = 0;
            }
        } else {
            stable_cnt = 0;
        }
        break;
    }
    return 0;
}
​

这套写法的精髓是用状态而非延时来表达时间：消抖逻辑不占用任何阻塞时间，采样节拍由定时器提供。工程上几乎所有按键、编码器、开关量传感器的去抖都基于这个骨架，值得一次写对、终身复用。

外部中断：让硬件替你盯着引脚

状态机消抖依然需要主循环定期来问（轮询）。STM32 提供更彻底的方案：EXTI 外设盯着引脚，检测到指定边沿就向 NVIC 发中断请求，CPU 当场放下主程序去执行中断服务函数（ISR）。配置链路横跨四个部件：GPIO → AFIO 映射 → EXTI → NVIC，一行都少不了：

void exti0_init(void)
{
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN;          /* AFIO 时钟：引脚到 EXTI 的映射归它管 */

    AFIO->EXTICR[0] &= ~AFIO_EXTICR1_EXTI0;      /* EXTI0 映射到 PA0：这 4 位全 0 选 GPIOA */

    EXTI->IMR  |= EXTI_IMR_MR0;                  /* 开 EXTI0 的中断屏蔽位：允许它发请求 */
    EXTI->FTSR |= EXTI_FTSR_TR0;                 /* 下降沿触发：按下瞬间（高到低）响应 */

    NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 1);             /* 抢占优先级 1（CMSIS 提供的内核函数）*/
    NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);                  /* 放行：NVIC 开始受理 EXTI0 */
}

/* 中断服务函数：名字必须与启动文件里的向量表条目完全一致 */
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0) {                /* 确认是本线路触发 */
        EXTI->PR = EXTI_PR_PR0;                  /* 写 1 清除挂起标志——忘了这句中断会风暴 */
        GPIOB->ODR ^= (1UL << 5);                /* 翻转 LED：按下即翻转 */
    }
}
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三个易错点值得单独标注。其一，AFIO 时钟是 EXTI 配置的隐形前提，漏开它，EXTICR 写了也白写，症状是"配置全对就是不进中断"。其二，PR（挂起寄存器）必须写 1 清除，且要在 ISR 里清——不清的话 ISR 一退出 NVIC 立刻再次调用它，主程序被活活饿死，这就是"中断风暴"。其三，ISR 里不要延时、不要 printf：中断要快进快出，实际工程里 ISR 常常只置一个标志或往队列丢一条消息（第 6 章的 FreeRTOS 正是把这件事制度化了）。

轮询还是中断：一张表定夺

两种输入响应方式各有地盘，选择依据是事件频率与系统的并发压力：

经验法则：毫秒级无所谓的事件（环境光亮度变化）轮询就好；必须立刻处理的事件（急停按钮、流量脉冲计数）用中断。两者也不互斥——工业产品常是"中断置标志、主循环处理"的混合架构，兼顾响应速度与处理逻辑的完整性。

到这里，GPIO 的输入输出两个方向都通了。但还剩一块没碰：芯片之外的那圈电路。下一节把镜头拉远，看最小系统怎么搭、上电头几百毫秒芯片在干什么——那是软件世界与物理世界的接缝。