บทเรียน 4.1 — GPIO และ interrupt

เป้าหมาย

เมื่อจบบทเรียนนี้ คุณจะ

1. ตั้งค่าขา GPIO ด้วยคำสั่ง PDL ให้เป็นขาออกและขาเข้าที่มี drive mode ถูกต้อง
2. เขียน ISR ที่สั้น ไม่บล็อก และส่งงานต่อให้ task แทนการทำงานหนักใน ISR
3. กันเด้งปุ่มโดยไม่ใช้การรอแบบบล็อก

ใช้เวลาประมาณ 70 นาที

ก่อนเริ่ม

ทวนจากโมดูลก่อนหน้าสองข้อ

1. ถ้า ISR กับ task ใช้ตัวแปรร่วมกัน ต้องประกาศอย่างไร และ volatile อย่างเดียวพอไหม
2. ตอนที่ CM33 หยุดที่ breakpoint ในลูปอ่านปุ่ม การกดปุ่มหายไปได้อย่างไร

ดูของจริงก่อน

เปิด examples/07_debounce_trace.c — ป้อนค่าที่ "อ่านจากขา" ทุก 10 ms จากตารางที่จำลองการกดหนึ่งครั้งที่หน้าสัมผัสเด้งทั้งตอนกดและตอนปล่อย ทายก่อนรัน: นับแบบค่าดิบจะได้กี่ครั้ง และแบบกันเด้งได้กี่ครั้ง

gcc -std=c11 -Wall -Wextra -o debounce_trace examples/07_debounce_trace.c
./debounce_trace

ค่าดิบนับได้ 6 ครั้ง ส่วนแบบกันเด้งได้ 1 ครั้ง พร้อมเวลาของ PRESS/RELEASE ที่ช้ากว่าการแตะครั้งแรกราว 30 ms — สังเกตว่าไม่มี delay เลยสักบรรทัด ตัวกันเด้งทั้งตัวคือฟังก์ชันที่ถูกเรียกหนึ่งครั้งต่อการอ่าน แล้วคืนทันที

แนวคิด (1) — drive mode คือทั้งหมดของงาน GPIO

ขาหนึ่งขาต้องตั้งสามอย่าง: ขาเป็นของใคร (HSIOM), ขับไฟแบบไหน (drive mode), ค่าเริ่มต้น — Cy_GPIO_Pin_FastInit(port, pin, driveMode, outVal, hsiom) รวมไว้ในคำสั่งเดียว SDK ตั้งหัวข้อว่า "DRIVE MODES ARE THE WHOLE JOB"

ใช้ค่าขั้วจาก BSP (CYBSP_BTN_PRESSED, CYBSP_LED_STATE_ON) แทนการเขียนเลขเอง — "Print the silkscreen name to a user."

ตัวอย่างสมบูรณ์ — drive mode จริงจาก SDK

static void leds_init(void)
{
    for (unsigned i = 0U; i < LED_COUNT; i++) {
        Cy_GPIO_Pin_FastInit(s_leds[i].port, s_leds[i].pin,
                             CY_GPIO_DM_STRONG,
                             CYBSP_LED_STATE_OFF,   /* dark from the first cycle */
                             HSIOM_SEL_GPIO);
    }
}

static void button_init(void)
{
    /* outVal = CYBSP_BTN_OFF (1) is what energises the pull-up. */
    Cy_GPIO_Pin_FastInit(CYBSP_USER_BTN1_PORT, CYBSP_USER_BTN1_NUM,
                         CY_GPIO_DM_PULLUP, CYBSP_BTN_OFF, HSIOM_SEL_GPIO);
}

ที่มา: 04_gpio_led_button.c (Apache-2.0, tesaiot-pse84-devkit-sdk)

แนวคิด (2) — ISR ที่ดี: สั้น ไม่รอ ไม่พิมพ์ แล้วส่งงานต่อ

ISR ขัดจังหวะทุกอย่างที่มีความสำคัญต่ำกว่า — กติกาของ SDK: "Never printf from an IPC callback (ISR context)" และฟังก์ชัน _from_isr คือฟังก์ชันที่ "takes no mutex, allocates nothing, and prints nothing"

/** Radar data-ready interrupt handler */
static void radar_data_ready_isr(void)
{
    if (radar_drdy_events < 0xFFFFFFFFu) {
        radar_drdy_events++;
    }
    Cy_GPIO_ClearInterrupt(CYBSP_RADAR_INT_PORT, CYBSP_RADAR_INT_NUM);
    NVIC_ClearPendingIRQ(radar_irq_cfg.intrSrc);
}

มันทำสองอย่าง: บันทึกว่าเกิดเหตุการณ์ (ตัวนับ volatile ที่หยุดที่ค่าสูงสุด ไม่วนกลับ) และล้าง interrupt flag — ถ้าไม่ล้าง ISR จะถูกเรียกซ้ำไม่รู้จบ งานหนักทั้งหมดอยู่ใน task

แนวคิด (2) ต่อ — ปลุก task และลำดับการเปิด interrupt

เมื่อต้องปลุก task ทันที ใช้ API ของ FreeRTOS ที่ลงท้าย FromISR แล้วเรียก portYIELD_FROM_ISR() — ตัวอย่าง SDK ใช้ xSemaphoreGiveFromISR() และ xQueueSendFromISR() พร้อมกำกับ "No printf here — this is ISR context"

ISR ที่เรียก API แบบ FromISR ต้องมีลำดับความสำคัญไม่สูงกว่า configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY

แนวคิด (3) — กันเด้งแบบไม่บล็อก: นับ "เวลา" ไม่ใช่ "ครั้งที่อ่านติดกัน"

หน้าสัมผัสของปุ่มเด้งอยู่หลายมิลลิวินาทีหลังกดและหลังปล่อย การกันเด้งคือเชื่อค่าใหม่ก็ต่อเมื่อมัน นิ่งนานพอ — SDK อ่านทุก 10 ms และเชื่อเมื่อได้ค่าเดิมสามครั้งติดกัน (รวม 30 ms) และเตือนว่า

"Debounce in TIME, not by reading the pin twice in a row: two reads 200 ns apart are two samples of the same bounce."

"ไม่บล็อก" แปลว่าตัวกันเด้งไม่รอเอง — มันเก็บสถานะไว้ใน struct แล้วถูกเรียกหนึ่งครั้งต่อการอ่าน ผู้เรียกเป็นคนกำหนดจังหวะ (task ที่ vTaskDelay หรือ timer ของ LVGL) ถ้าใช้ interrupt ของขาช่วย ISR ควรแค่ "ปลุก" task ที่ทำการกันเด้ง เพราะการเด้งหนึ่งครั้งก่อ interrupt ได้หลายสิบครั้ง

ตัวอย่างสมบูรณ์ — สามท่าใน 07_debounce_trace.c

ท่าที่ 1 ตาราง raw[] คือค่าที่อ่านได้ทุก 10 ms มีการเด้งตอนกด ตอนปล่อย และสัญญาณรบกวนหนึ่งการอ่าน
ท่าที่ 2 debounce_step() รับค่าหนึ่งค่า ปรับสถานะใน struct แล้วคืนเหตุการณ์ ไม่มีการรอข้างใน
ท่าที่ 3 นับขอบขาขึ้นของค่าดิบเทียบกับจำนวน PRESS ที่กันเด้งแล้ว บนข้อมูลชุดเดียวกัน

ลองแก้แล้วทายก่อนรัน: เปลี่ยน DEBOUNCE_POLLS เป็น 1 นับได้กี่ครั้ง และต่างจากไม่มีการกันเด้งอย่างไร — เปลี่ยนเป็น 10 เวลาของ PRESS เลื่อนไปเท่าไร ผู้ใช้จะรู้สึกอย่างไรกับปุ่มที่ตอบช้าขนาดนั้น

ฝึกเติม

เปิด practice/07_debounce.c — มีช่องให้เติม 3 จุดใน debounce_step() และ test สี่กรณี: กดสะอาด, กดแบบเด้ง, สัญญาณรบกวนสั้น, กดค้างหนึ่งแสนรอบ

gcc -std=c11 -Wall -Wextra -o debounce practice/07_debounce.c && ./debounce

ลองเองก่อนอย่างน้อย 15 นาที แล้วเปิด solution/07_debounce.c — จุดที่มักพลาด: ไม่หยุดนับ agree ที่ DEBOUNCE_POLLS ถ้าเป็นชนิดเล็ก (uint8_t) และกดค้างนาน ตัวนับจะวนกลับ — test กดค้างหนึ่งแสนรอบมีไว้จับข้อนี้

เช็กความเข้าใจ

ตอบคำถาม 5 ข้อใน quiz.yaml ครอบคลุมเป้าหมายทั้งสามข้อ (ตอบถูกตั้งแต่ 4 ข้อขึ้นไปถือว่าจบบทเรียน)

1. ปุ่มต่อจากขาลงกราวด์ ไม่มีตัวต้านทานภายนอก การเรียกใดตั้งขานี้ได้ถูกต้อง
2. ทำไมตัวอย่าง GPIO ของ SDK ให้ outVal ของ LED เป็น CYBSP_LED_STATE_OFF และใช้ชื่อนี้แทนเลข 0
3. ข้อใดควรอยู่ใน ISR ของขา GPIO (เลือกได้หลายข้อ)
4. เรียงขั้นการเปิด interrupt ของขา GPIO ตามแบบของ driver เรดาร์ใน SDK
5. อ่านปุ่มทุก 10 ms และเชื่อเมื่อค่าตรงกัน 3 ครั้งติด ถ้าปุ่มเด้ง 5 ms หลังกด การกดจะถูกรายงานหลังจากแตะครั้งแรกนานราวเท่าไร

แล็บ

งาน: วัดคุณภาพการกันเด้งบนบอร์ดจริง แล้วออกแบบการรับปุ่มด้วย interrupt ที่ส่งงานต่อให้ task

1. build ด้วย SDK_EXAMPLE_CM33=cm33/io/04_gpio_led_button flash ถอดสายเสียบใหม่
2. ในห้าวินาทีที่ตัวอย่างเฝ้าปุ่ม กด SW2 สามแบบ: ช้า ๆ ห้าครั้ง, เร็วที่สุดเท่าที่ทำได้, แตะเบา ๆ จดจำนวนที่นับได้เทียบกับที่กดจริง
3. (ถ้ามีบอร์ดฐาน QWA309) flash ตัวอย่าง Button Monitor จาก Developer Hub ที่อ่านทุก 25 ms ทำการทดลองแบบเดียวกัน เทียบผล
4. ออกแบบบนกระดาษการรับ SW2 ด้วย interrupt ขอบขาลง: ระบุคำสั่ง PDL ทุกขั้น เขียน ISR ที่ล้าง flag แล้วปลุก task ด้วย xSemaphoreGiveFromISR() อธิบายว่าทำไมไม่นับการกดใน ISR ตรง ๆ

หลักฐานที่เก็บไว้ใน portfolio: ตารางผลการกดทั้งสามแบบ log จาก serial console และแบบร่าง ISR กับ task พร้อมคำอธิบาย

ไปต่อ

• เปิด cy_gpio.h @ release-v3.24.0 หาค่า CY_GPIO_INTR_RISING/FALLING/BOTH แล้วคิดว่าตัวกันเด้งที่ใช้ interrupt ควรฟังขอบไหน
• เอกสาร FreeRTOS หัวข้อ task notifications — ทางเลือกที่เบากว่า semaphore ในการปลุก task หนึ่งตัว

บทถัดไป: บทเรียน 4.2 — Timer และสัญญาณนาฬิกา

แหล่งที่มาและเครดิต

"พื้นฐานเฟิร์มแวร์ภาษา C บน PSoC Edge" จาก TESA Open Knowledge โดยสมาคมสมองกลฝังตัวไทย
(Thai Embedded Systems Association: TESA) https://github.com/tesaiot/tesa-qualification-program
สัญญาอนุญาต CC BY-NC 4.0

โค้ดของหลักสูตรนี้ (examples/, practice/, solution/) Apache-2.0 · โค้ดของ SDK ไม่ได้คัดลอกเป็นไฟล์
บทเรียนยกมาเป็นช่วงสั้น ๆ พร้อมลิงก์ไปยังไฟล์ที่ commit ef72c1b (Apache-2.0, tesaiot-pse84-devkit-sdk)