《DNESP32P4开发指南_V1.0》第十三章 EXIT实验

第十三章 EXIT实验
本章将详细介绍如何将GPIO引脚配置为外部中断输入，帮助开发者掌握GPIO中断的基础使用方法。这部分内容对处理按键输入、传感器信号等外部事件至关重要，通过中断方式可以有效提高系统的响应效率。
本章分为如下几个小节：
13.1 外部中断介绍
13.2 硬件设计
13.3 程序设计
13.4 下载验证
13.1 外部中断介绍
在上一章节中，我们虽然实现了GPIO口输入功能的读取，但代码始终在检测IO输入口的变化，导致在代码量增加时，按键检测部分的轮询效率降低。尤其在某些特定场合，如按键可能一天才被按下一次，实时检测将造成大量时间浪费。为优化此问题，我们引入了外部中断的概念。外部中断即在按键被按下（触发中断）时执行相关功能，从而显著节省CPU资源，因此在实际项目中应用广泛。
13.1.1 什么是中断
外部中断属于硬件中断，由微控制器外部事件触发。微控制器的特定引脚被设计为对特定事件（如按钮按压、传感器信号变化等）作出响应，这些引脚通常称为“外部中断引脚”。一旦外部中断事件发生，当前程序执行将立即暂停，并跳转到相应的中断服务程序（ISR）进行处理。处理完毕后，程序会恢复执行，从被中断的地方继续。下图是CPU中断处理过程。

图13.1.1 CPU中断处理过程
对于嵌入式和实时系统而言，外部中断的使用至关重要，它能使系统对外部事件作出即时响应，极大提升系统效率和实时性。
13.1.2 ESP32-P4外部中断介绍
ESP32-P4的HP IO MUX和HP GPIO矩阵提供了强大的中断处理能力，允许开发者配置GPIO引脚以响应外部事件。这些事件可以是按键按下、传感器信号变化等。ESP32-P4的HP IO MUX和HP GPIO矩阵可以生成以下中断信号，供中断矩阵处理。中断矩阵的相关知识请看第二章节的内容。
1）GPIO_INTR0
2）GPIO_INTR1
3）GPIO_INTR2
4）GPIO_INTR3
5）GPIO_PAD_COMP_INTR
ESP32-P4的中断矩阵为开发者提供了灵活的外部事件响应机制。ESP32-P4的55个GPIO引脚可以通过任意一个内部中断信号（GPIO_INTR0、GPIO_INTR1、GPIO_INTR2、GPIO_INTR3）来响应外部事件。这些中断信号通过中断矩阵传递和处理，确保系统可以快速响应和执行。其中，GPIO_PAD_COMP_INTR 是一种特殊的中断信号，与模拟电压比较器相关。详细信息可以参考《ESP32-P4技术参考手册》中的模拟电压比较器（Analog Voltage Comparator）章节。
根据本书籍第二章的2.4.5小节中的图2.4.5.2所示位置，可以找到GPIO_INTR0、GPIO_INTR1、GPIO_INTR2和GPIO_INTR3这些内部中断源的中断号，它们分别对应中断号74至77号，如下图所示。

图13.1.2.1 GPIO_INTR0等CPU外设中断源映射和状态寄存器
这些中断信号由ESP32-P4的GPIO引脚触发，并通过中断矩阵传递给处理器核心以响应外部事件。至于如何配置这55个GPIO的触发条件，实际上笔者在LED实验时已经讲解过，GPIO管脚支持外部中断配置。外部中断具备两种主要的触发类型：电平触发和边沿触发。电平触发指的是高电平和低电平触发，而边沿触发则包含上升沿、下降沿和任意沿的触发。
下图展示了配置这四个内部中断源（GPIO_INTR0、GPIO_INTR1、GPIO_INTR2、GPIO_INTR3）触发条件的寄存器。

表13.1.2.1 HP IO MUX和HP GPIO Matrix提供了内部中断源
上表13.1.2.1展示了ESP32-P4的HP IO MUX和HP GPIO Matrix中GPIO内部中断源的配置寄存器。针对GPIO_INTR0、GPIO_INTR1、GPIO_INTR2和GPIO_INTR3，可以通过配置不同的寄存器对GPIO的中断触发条件进行设置。
下面笔者以GPIO_INTR0为例讲解：
1）GPIO_STATUS_INTERRUPT[n] & GPIO_PINn_INT_ENA[0] (n: 0 ~ 31)：用于配置GPIO0到GPIO31号引脚的启动中断。
2）GPIO_STATUS1_INTERRUPT[n] & GPIO_PINn+32_INT_ENA[0] (n: 0 ~ 22)：用于配置GPIO32到GPIO54号引脚的中断触发类型。
其他内部中断（如GPIO_INTR1、GPIO_INTR2、GPIO_INTR3）的配置方式与GPIO_INTR0类似。下图为GPIO_STATUS_INTERRUPT和GPIO_PINn_INT_ENA[0] (n: 0 ~ 31)描述内容。

图13.1.2.2 GPIO_STATUS_INTERRUPT和GPIO_PINn_INT_ENA[0] (n: 0 ~ 31)描述
其他寄存器的详细描述，请参阅《ESP32-P4技术参考手册》中的7.18 节 “Interrupts”。
上述的内容是HP系统的外部中断相关内容，在低功耗（LP）系统下，ESP32-P4的LP IO MUX和GPIO矩阵可以生成LP_GPIO_INTR0中断信号（中断号为10），并通过中断矩阵发送至处理器。低功耗模式时，GPIO0~GPIO15由LP系统管理，允许将这些GPIO配置为外部中断，并由LP_GPIO_INTR0统一管理，如下图所示。

图13.1.2.3 LP IO MUX和LP GPIO矩阵内部中断源
在低功耗（LP）系统下，要开启GPIO0~GPIO15的中断，可以使用上图的LP_GPIO_STATUS_DATA[n]（n: 0 ~ 15）寄存器开启中断。同时，使用LP_GPIO_PINn_INT_TYPE（n: 0 ~ 15）寄存器配置每个 GPIO 引脚的中断触发类型，包括高电平、低电平、上升沿、下降沿和任意沿触发。这些配置可以实现低功耗系统中对 GPIO 引脚的外部中断响应，有效支持低功耗操作模式下的外部事件监控需求。
13.2 硬件设计
13.2.1 例程功能
通过将BOOT按键配置为外部中断触发，可以在每次按下BOOT按键时触发中断处理程序，从而实现LED0的电平翻转效果。
13.2.2 硬件资源
1）LED灯
LED        0        - IO51
2）KEY按键
BOOT        - IO35
13.2.3 原理图
KEY原理图已在12.2.3小节中详细阐述，为避免重复，此处不再赘述。
13.3 程序设计
13.3.1 GPIO的IDF驱动
接下来，笔者将介绍常用的GPIO EXIT函数，这些函数的描述及其作用如下：
1，注册中断函数gpio_install_isr_service
该函数用于注册中断服务，其函数原型如下：

1. esp_err_t gpio_install_isr_service(int intr_alloc_flags);

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函数参数：

表13.3.1.1 gpio_install_isr_service函数形参描述
返回值：
ESP_OK表示操作成功。
ESP_ERR_NO_MEM表示内存不足，无法安装服务。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示ISR服务已安装，不能重复安装。
ESP_ERR_NOT_FOUND表示未找到符合指定标志的空闲中断。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示GPIO参数错误。
2，分配中断函数gpio_isr_handler_add
该函数用于注册某个管脚的中断服务函数，其函数原型如下：

1. esp_err_t gpio_isr_handler_add(        gpio_num_t gpio_num, gpio_isr_t isr_handler,
2.                                                                 void *args);

复制代码

函数形参：

表13.3.1.2 gpio_isr_handler_add函数形参描述
返回值：
ESP_OK表示操作成功。
ESP_ERR_INVALID_STATE表示ISR服务未初始化或状态错误。
ESP_ERR_INVALID_ARG表示参数错误。
这里需要注意ISR处理程序函数的格式，如下所示。

1. void (*gpio_isr_t)(void *arg);

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在编写中断回调函数时，需要注意。
13.3.2 程序流程图

图11.3.2.1 EXIT实验程序流程图
13.3.3 程序解析
在03_exit例程中，作者在03_exit\components\BSP路径下新建EXIT文件夹，并且需要更改CMakeLists.txt内容，以便在其他文件上调用。
1，EXIT驱动代码
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。EXIT驱动源码包括两个文件：exit.c和exit.h。
下面先解析exit.h的程序。对EXIT引脚做了相关定义以及功能实现。

1. /* 引脚定义 */
2. #define BOOT_INT_GPIO_PIN   GPIO_NUM_35
4. /* IO操作 */
5. #define BOOT_INT    gpio_get_level(BOOT_INT_GPIO_PIN)

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上述源码，定义了BOOT按键所使用的GPIO 脚编号为 GPIO_NUM_35，即GPIO35，通过宏定义BOOT_INT，直接调用gpio_get_level(BOOT_INT_GPIO_PIN)，用于读取GPIO_NUM_35引脚的电平状态。如果BOOT按键连接到GPIO35，可以直接使用BOOT_INT来判断引脚电平，从而检测 BOOT 按键的按下或释放状态。
下面我们再解析exit.c的程序，看一下初始化函数exit_init，代码如下：
[code]/** * @brief             外部中断初始化程序 * @param             无 * @retval            无 */void exit_init(void){    gpio_config_t gpio_init_struct;    /* 配置BOOT引脚和外部中断 */    gpio_init_struct.mode = GPIO_MODE_INPUT;                    /* 输入模式 */    gpio_init_struct.pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE;           /* 上拉使能 */    gpio_init_struct.pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE;      /* 下拉失能 */    gpio_init_struct.intr_type = GPIO_INTR_NEGEDGE;             /* 下降沿触发 */    gpio_init_struct.pin_bit_mask = 1ull