《DN8P1开发指南_V1.0》第十一章 外部中断实验

第十一章 外部中断实验

上一章，我们介绍了 RA8P1 的 I/O Port 作为输出的使用。本章，我们将通过按键外部中断实验，学习 RA8P1 外部中断的使用方法。我们将利用开发板上的按键触发外部中断，在中断回调函数中改变 LED 状态，从而观察外部中断的触发效果。
本章分为如下几个小节：
10.1 外部中断简介
10.2 硬件设计
10.3 程序设计
10.4 下载验证

11.1 外部中断简介
中断是 MCU 处理突发事件的一种机制。程序正常执行主循环时，如果外部按键、外设模块或系统异常产生中断请求，CPU 会暂停当前程序，转去执行对应的中断服务程序；中断服务程序执行完成后，再返回原来的程序继续执行。使用中断可以避免 CPU 一直轮询按键状态，提高程序实时性和执行效率。
RA8P1 的中断控制由 ICU（Interrupt Controller Unit）和 Arm Cortex-M 内核中的 NVIC 共同完成。ICU 负责检测中断源、选择中断事件、保存中断标志，并将中断请求送往 CPU；NVIC 负责 CPU 侧的中断使能、优先级和异常入口响应。
根据 RA8P1 用户手册，ICU 支持的中断相关功能主要包括：
1．检测外部引脚中断和外设中断事件；
2．将中断事件输出到 CPU、DTC 或 DMAC；
3．保存中断状态标志；
4．支持 IRQi 数字滤波，滤除宽度小于 3 个采样周期的毛刺；
5．支持低功耗唤醒相关中断配置；
6．支持 TrustZone 场景下的安全/非安全中断属性配置。
如下图10.1.1为ICU 负责中断事件检测和路由，NVIC 负责 CPU 侧中断响应；外部 IRQ 事件经 ICU 后进入 CPU 中断处理流程。

图10.1.1 ICU和CPU的中断路径

RA8P1支持NMI和IRQi外部中断输入，其中IRQi范围为IRQ0到IRQ31。如下图10.1.2 ICU寄存器地址映射所示。

图10.1.2 ICU寄存器地址映射

11.1.1 外部中断工作过程
RA8P1 外部中断使用 IRQi 引脚输入外部中断请求，i 的范围为 0 到 31。外部信号进入 IRQi 后，ICU 根据 IRQCRi 寄存器中配置的触发方式判断是否产生中断。触发方式可以选择下降沿、上升沿、双边沿或低电平。
外部中断的大致工作过程如下：
配置对应 I/O 引脚为 IRQ 功能；
配置 IRQCRi，选择触发方式和是否启用数字滤波；
通过 IELSRn 选择中断事件，并把事件连接到 CPU 中断；
设置 NVIC 中断优先级并使能中断；
外部按键触发 IRQi；
ICU 检测到有效触发条件，置位中断标志；
CPU 响应中断，进入 FSP 配置的回调函数；
在回调函数中执行用户代码。
使用 FSP 开发时，上述底层寄存器配置大多由配置工具生成。用户重点关注 External IRQ 模块的通道号、触发方式、数字滤波、回调函数和优先级。

11.1.2 IRQ寄存器介绍
IRQCRi 是 IRQ Control Register，用于配置 IRQi 外部中断检测方式和数字滤波。i 的范围为 0 到 31。本章使用的按键分别连接到 IRQ12-DS 和 IRQ13-DS，因此对应 IRQCR12 和 IRQCR13。
IRQCRi 中与本章关系最密切的位如下：

IRQMD[1:0] 的配置含义如下：

按键实验通常选择下降沿触发。因为很多开发板按键一端接地，另一端通过上拉保持高电平，按下时信号由高变低，产生下降沿。

11.1.3 IELSRn 寄存器介绍
IELSRn 是 ICU Event Link Setting Register，用于把某个事件源连接到 ICU 的中断通道。n 的范围为 0 到 95。对于 CPU 中断，需要设置 IELSRn.IELS[9:0] 选择中断事件，并将 IELSRn.DTCE 设置为 0，表示该事件作为 CPU 中断请求，而不是 DTC 触发请求IELSRn 中常用位如下：

在 FSP 工程中，用户通常不直接写 IELSRn，而是在 Stacks 中添加 External IRQ 模块，并设置通道号、回调函数和优先级。FSP 生成的代码会完成事件选择、NVIC 配置和中断回调绑定。

11.1.4 数字滤波功能
机械按键存在抖动，按下或松开瞬间可能产生多个高低电平跳变。RA8P1 的 IRQi 支持数字滤波功能，可以对 IRQ 输入信号进行采样，并滤除宽度小于 3 个采样周期的脉冲。
启用 IRQi 数字滤波需要配置两项：
通过 IRQCRi.FCLKSEL[1:0] 选择采样时钟，可选 PCLKB、PCLKB/8、PCLKB/32、PCLKB/64；将 IRQCRi.FLTEN 设置为 1，使能数字滤波。

11.2 硬件设计
1. 例程功能
BOOT与KEY0控制LED0开启与关闭；KEY1与KEY2控制LED1开启与关闭；KEY3控制LED0与LED1状态翻转。

2. 硬件资源
1）LED 灯
LED0 – P108
LED1 – PD06
2）按键
BOOT – P201（IRQ4）
KEY0 – P003（IRQ29）
KEY1 – P005（IRQ10-DS）
KEY2 – P010（IRQ14）
KEY3 – P011（IRQ16）

3. 原理图
按键硬件部分的原理图，如图 10.2.1 所示：

图 10.2.1 按键原理图

这里需要注意的是：KEY0、KEY1、KEY2、KEY3和BOOT采样到按键另一端的低电平为有效电平，由于按键外部没有上下拉电阻，所以需要在 RA8P1内部设置上下拉。

**11.3 程序设计 **
11.3.1 FSP配置流程
注意：LED的FSP配置流程，我们已经在第八章节讲解过，这里我们不再赘述。
在FSP配置PinsInterrupt:IRQ路径下配置相关管脚中断初始化，如下图所示。

Stacks 标签页中，点击"New Stack"，添加5个IRQ实例，如下图所示。

3．选中Stacks 标签页中新创建的IRQ实例，点击"属性",修改相关参数配置。

另外四个IRQ实例属性按照此配置模式一样操作即可，这里不再进行过多展示。（注意函数命名方式保持独立）

11.3.2 程序解析
1. 按键外部中断驱动代码
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。按键外部中断驱动源码包括两个文件：key_exti.c 和 key_exti.h。
下面我们先解析 key_exti.h 程序中的引脚定义、中断通道定义与函数声明。

/* 按键引脚宏定义（外部中断引脚） */
#define BOOT_GPIO_PIN   BSP_IO_PORT_02_PIN_01  /* BOOT按键对应引脚：P201 */
#define KEY0_GPIO_PIN   BSP_IO_PORT_00_PIN_03  /* KEY0按键对应引脚：P003 */
#define KEY1_GPIO_PIN   BSP_IO_PORT_00_PIN_05  /* KEY1按键对应引脚：P005 */
#define KEY2_GPIO_PIN   BSP_IO_PORT_00_PIN_10  /* KEY2按键对应引脚：P010 */
#define KEY3_GPIO_PIN   BSP_IO_PORT_00_PIN_11  /* KEY3按键对应引脚：P011 */

#define BOOT_IRQ_CHANNEL    (4U)    /* BOOT按键中断通道号 */
#define KEY0_IRQ_CHANNEL    (29U)   /* KEY0按键中断通道号 */
#define KEY1_IRQ_CHANNEL    (10U)   /* KEY1按键中断通道号 */
#define KEY2_IRQ_CHANNEL    (14U)   /* KEY2按键中断通道号 */
#define KEY3_IRQ_CHANNEL    (16U)   /* KEY3按键中断通道号 */

extern volatile bool boot_press;    /* BOOT按键按下标志位 */
extern volatile bool key0_press;    /* KEY0按键按下标志位 */
extern volatile bool key1_press;    /* KEY1按键按下标志位 */
extern volatile bool key2_press;    /* KEY2按键按下标志位 */
extern volatile bool key3_press;    /* KEY3按键按下标志位 */

/* 函数声明 */
void key_exti_init(void);                
void key_external_irq_callback(external_irq_callback_args_t *p_args);

BOOT_GPIO_PIN ~ KEY3_GPIO_PIN 分别是 5 个按键对应的 GPIO 引脚宏定义，和硬件原理图上的引脚一一对应。BOOT_IRQ_CHANNEL ~ KEY3_IRQ_CHANNEL 是各引脚绑定的 ICU 外部中断通道号，用于在回调函数中区分触发中断的按键。
5个按键按下标志位使用 volatile 修饰，确保中断服务函数与主循环中读取的变量值一致，避免编译器优化导致的读取错误。最后声明了外部中断初始化函数和中断回调函数，供外部调用。
注意：所有按键引脚均已通过 FSP 配置工具设置为外部中断模式，开启内部上拉，触发方式为下降沿触发（按键按下时电平由高变低，触发中断），系统启动时完成端口基础配置，驱动中仅需完成中断通道的打开与使能。
下面我们再解析 key_exti.c 的程序，这里包含中断通道操作封装函数、初始化函数和中断回调函数。
首先是静态封装函数 key_exti_open_enable，其定义如下：

static void key_exti_open_enable(icu_instance_ctrl_t * p_ctrl, external_irq_cfg_t const * p_cfg)
{
    /* 打开指定ICU外部中断通道，绑定FSP生成的配置 */
    fsp_err_t err = R_ICU_ExternalIrqOpen(p_ctrl, p_cfg);
    assert(FSP_SUCCESS == err);
    /* 使能该外部中断通道，允许按键边沿触发回调 */
    err = R_ICU_ExternalIrqEnable(p_ctrl);
    assert(FSP_SUCCESS == err);
}

该函数为内部静态函数，封装了外部中断通道的打开与使能操作：先调用 R_ICU_ExternalIrqOpen 绑定 FSP 生成的中断配置，再调用 R_ICU_ExternalIrqEnable 使能该中断通道，允许引脚边沿触发中断回调。函数中使用 assert 检查操作返回值，确保配置执行成功。
接下来是按键外部中断初始化函数 key_exti_init，其定义如下：

void key_exti_init(void)
{
    key_exti_open_enable(&g_external_irq4_ctrl, &g_external_irq4_cfg);     
    key_exti_open_enable(&g_external_irq29_ctrl, &g_external_irq29_cfg);   
    key_exti_open_enable(&g_external_irq10_ctrl, &g_external_irq10_cfg);   
    key_exti_open_enable(&g_external_irq14_ctrl, &g_external_irq14_cfg);   
    key_exti_open_enable(&g_external_irq16_ctrl, &g_external_irq16_cfg);   
}

该函数依次对 5 个按键对应的外部中断通道调用打开与使能函数，完成所有按键中断的初始化配置。每个通道对应一个物理按键，注释中标注了对应引脚与 IRQ 通道号，与硬件连接完全对应。
最后是全局按键标志位与统一中断回调函数：

/* 按键按下标志位，volatile保证中断与主程序读取一致 */
volatile bool boot_press = false;  /* BOOT按键按下标志位 */
volatile bool key0_press = false;  /* KEY0按键按下标志位 */
volatile bool key1_press = false;  /* KEY1按键按下标志位 */
volatile bool key2_press = false;  /* KEY2按键按下标志位 */
volatile bool key3_press = false;  /* KEY3按键按下标志位 */

void key_external_irq_callback(external_irq_callback_args_t *p_args)
{
    bsp_io_level_t key_level = BSP_IO_LEVEL_HIGH;
    R_BSP_SoftwareDelay(10, BSP_DELAY_UNITS_MILLISECONDS);  /* 延时10ms消抖 */
    /* 根据触发的IRQ通道读取对应按键电平，确认仍为按下后再置位 */
    switch(p_args->channel)
    {
        case BOOT_IRQ_CHANNEL:
            R_IOPORT_PinRead(&g_ioport_ctrl, BOOT_GPIO_PIN, &key_level);
            if(BSP_IO_LEVEL_LOW == key_level)
            {
                boot_press = true;
            }
            break;
        case KEY0_IRQ_CHANNEL:
            R_IOPORT_PinRead(&g_ioport_ctrl, KEY0_GPIO_PIN, &key_level);
            if(BSP_IO_LEVEL_LOW == key_level)
            {
                key0_press = true;
            }
            break;
        case KEY1_IRQ_CHANNEL:
            R_IOPORT_PinRead(&g_ioport_ctrl, KEY1_GPIO_PIN, &key_level);
            if(BSP_IO_LEVEL_LOW == key_level)
            {
                key1_press = true;
            }
            break;
        case KEY2_IRQ_CHANNEL:
            R_IOPORT_PinRead(&g_ioport_ctrl, KEY2_GPIO_PIN, &key_level);
            if(BSP_IO_LEVEL_LOW == key_level)
            {
                key2_press = true;
            }
            break;
        case KEY3_IRQ_CHANNEL:
            R_IOPORT_PinRead(&g_ioport_ctrl, KEY3_GPIO_PIN, &key_level);
            if(BSP_IO_LEVEL_LOW == key_level)
            {
                key3_press = true;
            }
            break;
        default:
            break;
    }
}

5个由volatile修饰的全局布尔变量，作为对应按键的按下事件标志，分别映射 BOOT、KEY0~KEY3 五路按键。volatile关键字可禁止编译器对该变量进行读写优化，确保中断上下文与主循环访问时始终读取内存最新值，避免多执行上下文下的数据不一致。标志位采用“中断内置位、主循环中查询并清零”的使用逻辑，实现中断事件与业务处理的解耦。
key_external_irq_callback是ICU外部中断的统一回调入口，任意一路按键触发外部中断时，该函数都会在中断上下文中被调用。函数先执行 10ms 软件延时完成按键机械消抖，再通过回调参数p_args的channel成员定位触发中断的通道，读取对应GPIO引脚的实际电平；二次确认引脚仍处于有效低电平状态后，才置位对应的按键标志位，有效滤除按键机械抖动引发的误触发。

2. hal_entry.c 代码
在 hal_entry.c 里面编写如下代码：

void hal_entry(void)
{
    delay_init(1000000);    	/* 初始化延时函数，配置系统时钟 */
    led_init();              	/* 初始化LED GPIO引脚 */
    key_exti_init();        	/* 初始化按键外部中断（配置中断通道、使能中断） */
    while(1)
    {
        /* 判断 BOOT 是否按下（中断触发后置位标志） */
        if(boot_press)
        {
            boot_press = false;
            LED0(0);
        }
        /* 判断 KEY0 是否按下（中断触发后置位标志） */
        if(key0_press)
        {
            key0_press = false;  /* 清除按键按下标志，等待下一次触发 */
            LED0(1);
        }
        /* 判断 KEY1 是否按下（中断触发后置位标志） */
        if(key1_press)
        {
            key1_press = false;  /* 清除按键按下标志，等待下一次触发 */
            LED1(0);
        }
        /* 判断 KEY2 是否按下（中断触发后置位标志） */
        if(key2_press)
        {
            key2_press = false;
            LED1(1);
        }
        /* 判断 KEY3 是否按下（中断触发后置位标志） */
        if(key3_press)
        {
            key3_press = false;
            LED0_TOGGLE();
            LED1_TOGGLE();
        }
    }
}

hal_entry 是 FSP 工程的系统启动入口点。程序首先完成系统级初始化：初始化延时函数、LED 外设和按键外部中断。
与轮询式按键扫描不同，本实验主循环无需主动扫描引脚电平，仅需循环查询各按键的按下标志位：当对应标志位为真时，先清除标志位，再执行对应的 LED 控制逻辑。中断方式的优势在于按键响应及时，且主循环无需持续扫描 IO，可空闲处理其他任务。
各按键的控制逻辑与轮询按键实验一致：BOOT 按下点亮 LED0，KEY0 按下熄灭 LED0；KEY1 按下点亮 LED1，KEY2 按下熄灭 LED1；KEY3 按下同时翻转 LED0 与 LED1 状态。

11.4 下载验证
在下载好程序后，我们可以按下 BOOT、KEY0、KEY1、KEY2、KEY3 来观察 LED 灯的变化，验证是否和预期结果一致：
• BOOT 按下时 LED0 点亮，KEY0 按下时 LED0 熄灭；
• KEY1 按下时 LED1 点亮，KEY2 按下时 LED1 熄灭；
• KEY3 按下时 LED0 与 LED1 状态同时翻转。
至此，本章的学习就结束了。本章学习了 RA8P1 的 GPIO 作为外部中断线的使用方法，掌握了 ICU 外部中断的配置流程、中断回调函数的编写以及中断事件标志的使用方式。大家可以对比轮询按键与中断按键两种实现的差异，理解不同场景下的选型思路。