简要分析Thread的通用GPIO设备驱动

1 本文的目的和结构

1.1 本文的目的 和背景

为了给用户提供操作GPIO的通用API，方便应用程序开发，RT-Thread中引入了通用GPIO设备驱动。并提供类似Arduino风格的API用于操作GPIO，如设置GPIO模式和输出电平、读取GPIO输入电平、配置GPIO外部中断。本文说明了如何使用RT-Thread的通用GPIO设备驱动。

1.2 本文的结构

本文首先描述了RT-Thread 通用GPIO设备驱动的基本情况，接下来给出了在正点原子STM32F4探索者开发板上验证的代码示例，最后详细描述了通用GPIO设备驱动API的参数取值和注意事项。

2 问题阐述

RT-Thread提供了一套简单的I/O设备管理框架，它把I/O设备分成了三层进行处理：应用层、I/O设备管理层、硬件驱动层。应用程序通过RT-Thread的设备操作接口获得正确的设备驱动，然后通过这个设备驱动与底层I/O硬件设备进行数据（或控制）交互。RT-Thread提供给上层应用的是一个抽象的设备操作接口，给下层设备提供的是底层驱动框架。对于通用GPIO设备，应用程序既可以通过设备操作接口访问，又可以直接通过通用GPIO设备驱动来访问。一般来说，我们都是使用第二种方式，那么如何在RT-Thread中使用通用GPIO设备驱动从而操作GPIO呢？

图A. 1 RT-Thread设备管理框架

3 问题的解决

本文基于正点原子STM32F4探索者开发板，给出了通用GPIO设备的具体应用示例代码，包含管脚输入、输出和外部中断的使用方法。由于RT-Thread上层应用API的通用性，因此这些代码不局限于具体的硬件平台，用户可以轻松将它移植到其它平台上。

正点原子 STM32F4 探索者开发板使用的MCU是 STM32F407ZET6，板载2颗LED和4个独立按键。LED分别连接到MCU的GPIOF9、GPIOF10，KEY0按键连接到GPIOE4，KEY1按键连接到GPIOE3，KEY2按键连接到GPIOE2，WK_UP按键连接到GPIOA0，2颗LED均为低电平点亮，独立按键KEY0、KEY1、KEY2按下为低电平；WK_UP按下为高电平。

图A. 2 实验用正点原子开发板

 

3.1 准备和配置工程

1. 下载 RT-Thread 源码 https://github.com/RT-Thread/rt-thread

2. 进入 rt-threadspstm32f4xx-HAL 目录，在 env 命令行中输入menuconfig，进入配置界面，使用 menuconfig 工具（学习如何使用）配置工程。

1） 在menuconfig配置界面依次选择RT-Thread Components ---》 Device Drivers ---》 Using generic GPIO device drivers，如图所示：

图A. 3 menuconfig中开启GPIO驱动

2） 输入scons --target=mdk5 -s

命令生成mdk5工程。将本应用笔记附带的main.c替换掉bsp中的main.c，如图所示：

图A. 4 加入测试代码

3） 编译，下载程序，在终端输入list_device命令可以看到pin device、类型是Miscellaneous Device就说明通用GPIO设备驱动添加成功了。

图A. 5 查看pin设备

下面是3个通用GPIO设备驱动API应用示例，分别是：GPIO输出、GPIO输入、GPIO外部中断，这些代码在正点原子STM32F4探索者开发板上验证通过。

3.2 GPIO输出配置

示例1：配置GPIO为输出，点亮LED。根据原理图，GPIOF9连接到了板载红色LED，丝印为DS0；GPIOF10连接到了板载绿色LED，丝印为DS1。GPIOF9输出低电平则点亮DS0，GPIOF9输出高电平则DS0不亮；GPIOF10输出低电平则点亮DS1，GPIOF10输出高电平则DS1不亮。

图A. 6 LED原理图

#define LED0 21 //PF9--21，在 drv_gpio.c 文件 pin_index pins［］中查到 PF9 编号为 21

#define LED1 22 //PF10--21，在 drv_gpio.c 文件 pin_index pins［］中查到 PF10 编号为 22

void led_thread_entry（void* parameter）

{

//设置管脚为输出模式

rt_pin_mode（LED0， PIN_MODE_OUTPUT）;

//设置管脚为输出模式

rt_pin_mode（LED1， PIN_MODE_OUTPUT）;

while （1）

{

//输出低电平，LED0 亮

rt_pin_write（LED0， PIN_LOW）;

//输出低电平，LED1 亮

rt_pin_write（LED1， PIN_LOW）;

//挂起 500ms

rt_thread_delay（rt_tick_from_millisecond（500））;

//输出高电平，LED0 灭

rt_pin_write（LED0， PIN_HIGH）;

//输出高电平，LED1 灭

rt_pin_write（LED1， PIN_HIGH）;

//挂起 500ms

rt_thread_delay（rt_tick_from_millisecond（500））;

}

}

在线程入口函数led_thread_entry里首先调用rt_pin_mode设置管脚模式为输出模式，然后就进入while（1）循环，间隔500ms调用rt_pin_write来改变GPIO输出电平。

下面是创建线程的代码：

rt_thread_t tid;//线程句柄

/* 创建led线程 */

tid = rt_thread_create（“led”，

led_thread_entry，

RT_NULL，

1024，

3，

10）;

/* 创建成功则启动线程 */

if （tid ！= RT_NULL）

rt_thread_startup（tid）;

编译、下载程序，我们将看到LED间隔500ms闪烁的现象。

3.3 GPIO输入配置

示例2：配置GPIOE3、GPIOE2为上拉输入，GPIOA0为下拉输入，检测按键信号。根据原理图，GPIOE3连接到按键KEY1，按键被按下时GPIOE3应读取到低电平，按键没有被按下时GPIOE3应读取到高电平；GPIOE2连接到按键KEY2，按键被按下时GPIOE2应读取到低电平，按键没有被按下时GPIOE2应读取到高电平；GPIOA0连接到按键WK_UP，按键被按下时GPIOA0应读取到高电平，按键没有被按下时GPIOA0应读取到低电平。

图A. 7 按键原理图

#define KEY1 2 //PE3--2，在 drv_gpio.c 文件 pin_index pins［］中查到 PE3 编号为 2

#define KEY2 1 //PE2--1，在 drv_gpio.c 文件 pin_index pins［］中查到 PE2 编号为 1

#define WK_UP 34 //PA0--34，在 drv_gpio.c 文件 pin_index pins［］中查到 PA0 编号为 34

void key_thread_entry（void* parameter）

{

//PE2、PE3设置上拉输入

rt_pin_mode（KEY1， PIN_MODE_INPUT_PULLUP）;

rt_pin_mode（KEY2， PIN_MODE_INPUT_PULLUP）;

//PA0设置为下拉输入

rt_pin_mode（WK_UP， PIN_MODE_INPUT_PULLDOWN）;

while （1）

{

//检测到低电平，即按键1按下了

if （rt_pin_read（KEY1） == PIN_LOW）

{

rt_kprintf（“key1 pressed！ ”）;

}

//检测到低电平，即按键2按下了

if （rt_pin_read（KEY2） == PIN_LOW）

{

rt_kprintf（“key2 pressed！ ”）;

}

//检测到高电平，即按键wp按下了

if （rt_pin_read（WK_UP） == PIN_HIGH）

{

rt_kprintf（“WK_UP pressed！ ”）;

}

//挂起10ms

rt_thread_delay（rt_tick_from_millisecond（10））;

}

}

在线程入口函数key_thread_entry里首先调用rt_pin_mode设置管脚GPIOE3为上拉输入模式。这样当用户按下按键KEY1时，GPIOE3读取到的电平是低电平；按键未被按下时，GPIOE3读取到的电平是高电平。然后进入while（1）循环，调用rt_pin_read读取管脚GPIOE3电平，如果读取到低电平则表示按键KEY1被按下，就在终端打印字符串“key1 pressed！”。每隔10ms检测一次按键输入情况。

下面是创建线程的代码：

rt_thread_t tid;

/* 创建key线程 */

tid = rt_thread_create（“key”，

key_thread_entry，

RT_NULL，

1024，

2，

10）;

/* 创建成功则启动线程 */

if （tid ！= RT_NULL）

rt_thread_startup（tid）;

编译、下载程序，我们按下开发板上的用户按键，终端将打印提示字符。

3.4 GPIO中断配置

示例3：配置GPIO为外部中断模式、下降沿触发，检测按键信号。根据原理图，GPIOE4连接到按键KEY0，按键被按下时MCU应探测到电平下降沿。

#define KEY0 3 //PE4--3，在gpio.c文件pin_index pins［］中查到PE4编号为3

void hdr_callback（void *args）//回调函数

{

char *a = args;//获取参数

rt_kprintf（“key0 down！ %s ”，a）;

}

void irq_thread_entry（void* parameter）

{

//上拉输入

rt_pin_mode（KEY0， PIN_MODE_INPUT_PULLUP）;

//绑定中断，下降沿模式，回调函数名为hdr_callback

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

args”）;

//使能中断

rt_pin_irq_enable（KEY0， PIN_IRQ_ENABLE）;

}

在线程入口函数irq_thread_entry里首先调用rt_pin_attach_irq设置管脚GPIOE4为下降沿中断模式，并绑定了中断回调函数，还传入了字符串“callback args”。然后调用rt_pin_irq_enable使能中断，这样按键KEY0被按下时MCU会检测到电平下降沿，触发外部中断，在中断服务程序中会调用回调函数hdr_callback，在回调函数中打印传入的参数和提示信息。

下面是创建线程的代码：

rt_thread_t tid;//线程句柄

/* 创建irq线程 */

tid = rt_thread_create（“exirq”，

irq_thread_entry，

RT_NULL，

1024，

4，

10）;

/* 创建成功则启动线程 */

if （tid ！= RT_NULL）

rt_thread_startup（tid）;

编译、下载程序，我们按下按键KEY0，终端将打印提示字符。

3.5 I/O设备管理框架和通用GPIO设备联系

RT-Thread自动初始化功能依次调用rt_hw_pin_init ===》 rt_device_pin_register ===》 rt_device_register完成了GPIO硬件初始化。rt_device_register注册设备类型为RT_Device_Class_Miscellaneous，即杂类设备，从而我们就可以使用统一的API操作GPIO。

图A. 8 通用GPIO驱动和设备管理框架联系

更多关于I/O设备管理框架的说明，请参考《RT-Thread编程手册》第 6 章 I/O设备管理，在线查看地址：https://www.rt-thread.org/document/site/zh/1chapters/06-chapter_device/ 

4 参考

4.1 本文所有相关的API

要使用这些API需引用头文件

#include

4.1.1 API 列表（Summary）