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I.MX6ULL按键实现（轮询及中断）及工程优化

news 2025/9/13 6:42:25

一、硬件介绍

1.1 按键硬件结构

  • 按键数量与功能：共 3 个按键（两红一黄），功能分工明确
    • 左侧(on/off)：低功耗控制按钮
    • 中间(reset)：系统复位按钮
    • 右侧(KEY0)：用户独立控制的试验按键<本次实验主要使用KEY0>
  • 电平逻辑：开关断开时，引脚为高电平；开关按下时，引脚为低电平（关键逻辑，代码设计核心依据）

1.2 核心引脚与手册参考

硬件模块参考文档核心章节说明
引脚复用《IMX6ULL 参考手册.pdf》Chapter 32（IOMUX Controller）配置 GPIO 功能复用
GPIO 控制《IMX6ULL 参考手册.pdf》Chapter 28（General Purpose Input/Output）GPIO 方向、数据读取
时钟控制《IMX6ULL 参考手册.pdf》Chapter 18（Clock Controller Module）使能 GPIO 时钟
中断控制器《ARM Generic Interrupt Controller V2.0.pdf》第 23 页GIC 中断分发与 CPU 接口
内核控制《Cortex-A7 Technical Reference Manual.pdf》Chapter 4（System Control）协处理器 CP15 配置

二、轮询方式按键实现

2.1 轮询方式原理

通过循环读取 GPIO 引脚电平判断按键状态，适用于业务逻辑简单、无实时性要求的场景。但当主程序存在大量耗时业务时，会出现按键漏检问题（如汽车刹车、工业急停等实时场景禁用）。

2.2 代码实现

步骤 1：初始化配置（4 大核心模块）
（1）引脚复用配置（IOMUXC）
  • 功能：将UART1_CTS_B引脚复用为GPIO1_IO18
  • 关键寄存器：IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_CTS_B（低 4 位控制复用模式）
（2）电气特性配置（PAD_CTL）
  • 功能：配置引脚的上拉 / 下拉、速度、驱动能力等，确保电平稳定
  • 关键寄存器：IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART1_CTS_B

参数拆解（二进制对应位）：

  • HYS=0：禁用输入滞回（无需防抖时关闭）
  • PUS=11：22KΩ 上拉（匹配 “断开高电平” 硬件逻辑）<与原理图中KEY0的上拉电阻并联后阻止小于10Ω>
  • PUE=1：选择上拉模式（而非保持模式）
  • PKE=1：使能上拉 / 保持功能
  • ODE=0：禁用漏极开漏（GPIO 输入模式无需开漏）
  • SPEED=10：中等速度（100MHz）
  • DSE=000：禁用输出驱动（输入模式无需驱动）
  • SRE=0：慢压摆率（减少信号干扰）
（3）GPIO 方向配置（GDIR）
  • 功能：设置 GPIO 为输入模式（读取按键电平）
  • 关键寄存器：GPIO1->GDIR（bit18 对应 GPIO1_IO18，0 = 输入，1 = 输出）
（4）GPIO 时钟使能（CCM）
  • 功能：使能 GPIO1 组时钟（默认时钟关闭，不使能则 GPIO 无响应）
  • 关键寄存器：CCM_CCGR1（GPIO1 组共用该时钟门控）
mrc与mcr命令
对比MRC（Move to ARM Register from Coprocessor）<“读”>MCR（Move from ARM Register to Coprocessor）<“写”>
核心功能将协处理器寄存器的数据读取到ARM 核心通用寄存器将ARM 核心通用寄存器的数据写入到协处理器寄存器
数据流向协处理器寄存器 → ARM 核心寄存器（读操作）ARM 核心寄存器 → 协处理器寄存器（写操作）
指令格式（ARM 汇编）MRC{<cond>} <coproc>, <opcode1>, <Rd>, <Crn>, <Crm>{, <opcode2>}MCR{<cond>} <coproc>, <opcode1>, <Rd>, <Crn>, <Crm>{, <opcode2>}
关键字段含义各字段功能与 MCR 完全一致，仅数据流向相反：
- <coproc>：协处理器编号（如 CP15 对应 15）
- <Rd>：目标 ARM 寄存器（数据读入此寄存器）
- <Crn>/<Crm>：协处理器主 / 次寄存器
- <opcode1>/<opcode2>：协处理器操作码		各字段功能与 MRC 完全一致，仅数据流向相反：
- <coproc>：协处理器编号（如 CP15 对应 15）
- <Rd>：源 ARM 寄存器（数据从此寄存器写出）
- <Crn>/<Crm>：协处理器主 / 次寄存器
- <opcode1>/<opcode2>：协处理器操作码
应用场景（CP15：协处理器）1. 读取处理器 ID（c0/c0 寄存器）
2. 读取系统控制状态（如 MMU 使能状态，c1/c0 寄存器）
3. 读取中断屏蔽状态（c12/c0 寄存器）
4. 读取 Cache 配置信息（c9/c0 寄存器）		1. 使能 MMU（修改 c1/c0 寄存器的 M 位）
2. 设置中断向量表基址（修改 c12/c0 寄存器）
3. 刷新 Cache（操作 c7/c6 寄存器）
4. 配置内存权限（修改 c2/c0 寄存器）
步骤 2：按键检测（轮询核心）
  • 功能：循环读取 GPIO 数据寄存器，判断按键按下 / 松开状态
  • 关键寄存器：GPIO1->DR（bit18 对应引脚电平，1 = 高电平（断开），0 = 低电平（按下））
#include "key.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"void key_init(void)
{//复用功能 配置为GPIO1_18IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0xF0B0);GPIO1->GDIR &= ~(1 << 18);
}int key_check(void)
{return (GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0;
}

2.3 轮询方式缺点

  • 漏检问题：当delay耗时操作执行时，主循环暂停，按键按下无法被检测
  • 资源占用：循环读取 GPIO 占用 CPU 资源，无法并行处理其他业务
  • 实时性差：不适用于汽车电子、工业控制等需毫秒级响应的场景

三、中断方式按键实现

3.1 中断方式原理

当按键按下时，GPIO 触发外部中断（EINT），CPU 暂停当前业务，优先执行中断服务函数（ISR），处理完成后返回原业务，解决轮询的漏检与实时性问题。

3.2 中断处理流程（6 步核心）

  1. 中断请求：按键按下  -->  GPIO 引脚电平变化  -->  触发外部中断请求
  2. 中断响应检查：CPU 判断中断是否被屏蔽（GIC 中是否允许该中断）
  3. 优先级判断：GIC 分发器（Distributor）选择最高优先级中断
  4. 保护现场：保存当前 CPU 寄存器值（如 R0~R15），避免数据丢失
  5. 执行中断服务函数：处理按键逻辑
  6. 恢复现场：恢复保存的寄存器值，回到原业务继续执行
kernal:被打断的
外设：  发出中断
GPIO发出的中断：外部中断（EINT）

3.3 GIC 中断控制器

GIC（Generic Interrupt Controller）是 ARM 架构的通用中断控制器，负责中断的分发与管理，IMX6ULL 中 GIC V2.0 支持 1020 个中断源，分类如下：

中断类型范围特点用途
SGI（软件中断）0~15软件触发，多核间通信多核 CPU 同步（如核 0 通知核 1）
PPI（私有中断）16~31每个 CPU 独有，绑定核心核内定时器、看门狗等
SPI（共享中断）32~1019多 CPU 共享，外设中断GPIO、UART、SPI 等外设中断
Distributor（分发器）：
（1）SGI(Software-generated Interrupt)，软件中断：由软件触发引起的中断，通过向寄存器GICD_SGIR 写入数据来触发，系统会使用 SGI 中断来完成多核之间的通信。
（2）PPI(Private Peripheral Interrupt)，私有中断：我们说了 GIC 是支持多核的，每个核肯定有自己独有的中断。这些独有的中断肯定是要指定的核心处理，因此这些中断就叫做私有中断；
（3）SPI(Shared Peripheral Interrupt),共享中断:(注意！不是 SPI 总线那个中断)，这类中断泛指所有的

3.4 协处理器 CP15 配置

CP15 是 Cortex-A7 的系统控制协处理器，负责中断向量表、缓存、MMU 等配置，中断相关核心寄存器如下：

寄存器功能关键配置代码示例
SCTLR（c1）系统控制寄存器中断向量表位置（V 位）、指令缓存（I 位）mrc p15,0,r0,c1,c0,0; bic r0,r0,#(1<<13); mcr p15,0,r0,c1,c0,0;（向量表基址 0x00000000）
VBAR（c12）向量基址寄存器中断向量表物理地址__set_VBAR(0x87800000);（设置向量表基址为 0x87800000）
CBAR（c15）配置基址寄存器GIC 寄存器物理基址mrc p15,4,r0,c15,c0,0;（读取 GIC 基址）
MIDR（c0）主 ID 寄存器内核型号、版本信息调试时确认内核型号

通过查阅手册，确定寄存器（以下图为例）

3.5 中断方式代码实现（分层设计）

  • 逻辑图

中断相关寄存器组
c0 registers:MIDR（Main ID Register）：存储内核的一些基本信息
c1 registers:SCTLR（System Control Register）bit13:V	bit12:I			
c12 registers：VBAR（Vector Base Address Register）					
c15 registers：CBAR（Configuration Base Address Register）
步骤 1：中断初始化（GIC+GPIO + 向量表）
（1）初始化 GIC 中断控制器
（2）GPIO 中断配置（触发方式 + 使能）
（3）中断向量表配置
步骤 2：中断服务函数（ISR）
  • 功能：处理按键中断逻辑，需快速执行（避免阻塞其他中断）
步骤 3：主函数（业务逻辑 + 中断使能）
整体函数实现
  •  key.c
//key.c#include "key.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "core_ca7.h"void key_init(void)
{//复用功能 配置为GPIO1_18IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);//电气特性配置IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0xF0B0);//引脚方向GPIO1->GDIR &= ~(1 << 18);//中断触发方式配置GPIO1->ICR2 |= (3 << 4); //中断源屏蔽寄存器解除屏蔽GPIO1->IMR |= (1 <<18);//2.GIC中断使能GIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_16_31_IRQn);GIC_SetPriority(GPIO1_Combined_16_31_IRQn, 0);
}int key_check(void)
{return (GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0;
}
  • start.S
.global _start_start:ldr pc, = _start_handerldr pc, = _undef_handerldr pc, = _supervisor_handerldr pc, = _prefetch_handerldr pc, = _data_handerldr pc, = _notuse_handerldr pc, = _irq_handerldr pc, = _fiq_hander_undef_hander:b _undef_hander_supervisor_hander:b _supervisor_hander_prefetch_hander:b _prefetch_hander_data_hander:b _data_hander_notuse_hander:b _notuse_hander_irq_hander:sub lr, #4stmfd sp!, {r0-r12, lr}mrc p15, 4, r1, c15, c0, 0add r1, r1, #0x2000ldr r0, [r1, #0x0C]bl system_interrupt_handlerstr r0, [r1, #0x10]ldmfd sp!, {r0-r12, pc}^_fiq_hander:b _fiq_hander_start_hander:/* mrs r0, cpsrbic r0, r0, #(0x1f << 0)bic r0, r0, #(1 << 7)orr r0, r0, #(0x12 << 0)    //irqmrs cpsr, r0*/mrc p15, 0, r0, c1, c0, 0 bic r0, r0, #(1 << 13)      //修改异常向量表映射方式orr r0, r0, #(1 << 12)      //打开ICachemcr p15, 0, r0, c1, c0, 0 cpsid icps #0x12ldr sp, =0x82000000/* mrs r0, cpsrorr r0, r0, #(0x1f << 0)    //sysmrs cpsr, r0*/cps #0x1F ldr sp, =0x84000000cpsie i bl _bss_initb mainb finishfinish:b finish_bss_init:ldr r0, =__bss_startldr r1, =__bss_end mov r2, #0
loop: str r2, [r0]add r0, #4cmp r0, r1blt loop bx lr

特别提醒：

启动代码中添加对IRQ中断的handler函数跳转；

在_start_hander中加入对异常向量表的修改函数

  • main.c
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "core_ca7.h"
#include "led.h"
#include "beep.h"
#include "key.h"void clock_init(void)
{CCM->CCGR0 = 0xFFFFFFFF;CCM->CCGR1 = 0xFFFFFFFF;CCM->CCGR2 = 0xFFFFFFFF;CCM->CCGR3 = 0xFFFFFFFF;CCM->CCGR4 = 0xFFFFFFFF;CCM->CCGR5 = 0xFFFFFFFF;CCM->CCGR6 = 0xFFFFFFFF;
}void led_delay(unsigned int t)
{while(t--);
}void system_interrupt_handler(IRQn_Type irq)
{if (irq == GPIO1_Combined_16_31_IRQn){if((GPIO1->ISR & (1 << 18)) !=0){led_nor();//中断处理GPIO1->ISR |= (1 << 18);   }}
}void system_interrupt_init(void)
{//基地址映射__set_VBAR(0x87800000);//1.GIC初始化GIC_Init();
}int main(void)
{system_interrupt_init();clock_init();led_init();beep_init();key_init();while (1){led_delay(0x7FFFFF);}
}

四、扩展性优化

4.1 遵循OCP原则进行优化

原始代码中，GPIO 配置、中断逻辑、业务处理高度耦合，修改按键引脚或业务时需大量改动代码，违反开放 - 封闭原则（OCP）：对修改封闭，对扩展开放。

降低程序耦合性
（1）满足用户基本需求
（2）程序稳定可靠
（3）满足OCP（open close principle）原则对代码的修改是关闭的，对代码的拓展是开放的

4.2 分层封装 

模块分层封装（3 层架构）
层级功能接口设计职责边界
硬件抽象层（HAL）封装 GPIO、GIC 寄存器操作GPIO_SetMux(), GIC_EnableInterrupt()与硬件强相关，不涉及业务
驱动层（Driver）封装按键驱动逻辑Key_Init(), Key_RegisterCallback()处理中断触发、防抖，提供业务接口
应用层（App）实现业务逻辑Key_Press_Callback(), Key_Release_Callback()只调用驱动接口，不关心硬件细节
KEY、中断模块优化
//interrupt.c#include "interrupt.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "core_ca7.h"static irq_interrupt_t interrupt_Vector_table[160] = {NULL};void system_interrupt_init(void)
{//基地址映射__set_VBAR(0x87800000);//1.GIC初始化GIC_Init();
}void system_interrupt_register(IRQn_Type irq, irq_interrupt_t handler)
{interrupt_Vector_table[irq] = handler;
}void system_interrupt_handler(IRQn_Type irq)
{if (interrupt_Vector_table[irq] != NULL){interrupt_Vector_table[irq]();}
}//key.c#include "key.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "interrupt.h"
#include "led.h"void key_16_31_handler(void)
{if((GPIO1->ISR & (1 << 18)) !=0){led_nor();//中断处理GPIO1->ISR |= (1 << 18);   }
}void key_init(void)
{//复用功能 配置为GPIO1_18IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);//电气特性配置IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0xF0B0);//引脚方向GPIO1->GDIR &= ~(1 << 18);//中断触发方式配置GPIO1->ICR2 |= (3 << 4); //中断源屏蔽寄存器解除屏蔽GPIO1->IMR |= (1 <<18);//注册中断处理函数system_interrupt_register(GPIO1_Combined_16_31_IRQn, key_16_31_handler);//2.GIC中断使能GIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_16_31_IRQn);GIC_SetPriority(GPIO1_Combined_16_31_IRQn, 0);
}int key_check(void)
{return (GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0;
}
GPIO 模块优化（支持多引脚扩展）

通过结构体参数传递 GPIO 配置，支持多按键扩展，无需重复编写代码

//gpio.c#include "gpio.h"void gpio_init(GPIO_Type *gpio, int pin, gpio_pin_t *data)
{if (data->dir == gpio_output){gpio->GDIR |= (1 << pin);if(data->def_val == 1){gpio->DR |= (1 << pin);}else{gpio->DR &= ~(1 << pin);}}else{gpio->GDIR &= ~(1 << pin);}
}int gpio_read(GPIO_Type *gpio, int pin)
{return ((gpio->DR & (1 << pin)) != 0);
}void gpio_write(GPIO_Type *gpio, int pin, int data){if (data == 0){gpio->DR &= ~(1 << pin);}else{gpio->DR |= (1 << pin);}
}//interrupt.c#include "interrupt.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "core_ca7.h"static irq_interrupt_t interrupt_Vector_table[160] = {NULL};void system_interrupt_init(void)
{//基地址映射__set_VBAR(0x87800000);//1.GIC初始化GIC_Init();
}void system_interrupt_register(unsigned int irq, irq_interrupt_t handler)
{interrupt_Vector_table[irq] = handler;
}void system_interrupt_handler(IRQn_Type irq)
{if (interrupt_Vector_table[irq] != NULL){interrupt_Vector_table[irq]();}
}//key.c#include "key.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "core_ca7.h"
#include "interrupt.h"
#include "led.h"void key_16_31_handler(void)
{if((GPIO1->ISR & (1 << 18)) !=0){led_nor();//中断处理GPIO1->ISR |= (1 << 18);   }
}void key_init(void)
{//复用功能 配置为GPIO1_18IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0);//电气特性配置IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_UART1_CTS_B_GPIO1_IO18, 0xF0B0);//引脚方向GPIO1->GDIR &= ~(1 << 18);//中断触发方式配置GPIO1->ICR2 |= (3 << 4); //中断源屏蔽寄存器解除屏蔽GPIO1->IMR |= (1 <<18);//注册中断处理函数system_interrupt_register(GPIO1_Combined_16_31_IRQn, key_16_31_handler);//2.GIC中断使能GIC_EnableIRQ(GPIO1_Combined_16_31_IRQn);GIC_SetPriority(GPIO1_Combined_16_31_IRQn, 0);
}int key_check(void)
{return (GPIO1->DR & (1 << 18)) == 0;
}//led.c#include "led.h"
#include "MCIMX6Y2.h"
#include "fsl_iomuxc.h"
#include "gpio.h"void led_init(void)
{IOMUXC_SetPinMux(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0);IOMUXC_SetPinConfig(IOMUXC_GPIO1_IO03_GPIO1_IO03, 0x10B0);//GPIO1->GDIR |= (1 << 3);//led_off();gpio_pin_t io_3;io_3.dir = gpio_output;io_3.def_val = 1;gpio_init(GPIO1, 3, &io_3);
}void led_on(void)
{gpio_write(GPIO1, 3, 0);
}void led_off(void)
{gpio_write(GPIO1, 3, 1);
}void led_nor(void)
{gpio_write(GPIO1, 3, !gpio_read(GPIO1, 3)); 
}

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