【课程实验 LAB4】如何召唤"沉睡的软件"：使用矩阵键盘4个按键控制流水灯模式

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关于LAB4：

• 本实验对应实验指导书的第 7 章 "数据存储器与流水灯外设"
• 本实验将以键盘模块实验为基础, 了解 CPU 的中断处理以及使用 C 语言高效地编程.
• 实验过程中遇到不明白的地方, 强烈建议回看实验指导书第三章中关于 Cortex-M0 相关的异常与中断的处理过程.

矩阵键盘

在介绍矩阵键盘之前, 我们先来介绍独立按键的检查原理. 按键是一个简单的基础外设, 只需要检测按键上的电平信号, 就可以判断按键是否被按下. 需要注意的是, 如下图所示在按下按键的过程, 会出现电平不稳定的情况, 持续时间大概为 1-10ms, 这就有可能会触发多次按键按下的信号, 因此需要对按键经行消抖处理. 这里我们采取的消抖方案为连续若干个周期检查到有效电平就认定按键按下.

按键按下的电平变化
本实验所使用的开发板上有一个 4x4 的矩阵键盘, 其原理图如下图所示. 矩阵键盘的使用是为了减少键盘对芯片输入/输出端口的使用, 如图所示控制 16 个按键只需要 8 个端口, 而如果每个按键占用一个端口就需要 16 个端口. 矩阵键盘的驱动原理就比独立按键稍微复杂一些. 矩阵键盘采用的是扫描方式进行检查, 即依次让矩阵键盘的行线输出改变, 然后检查列线的电平变化, 这样就能定位被按下按键的坐标.

矩阵键盘原理图
lab4 的第一个实验只使用了按键 KEY0-KEY3 因此不需要扫描, 只需保持 KEY4 信号线为低电平即可. 从上图中可以看出, KEY4 信号线为低电平时, 如果按键 KEY3 被按下, 则 KEY5 信号线输出为高电平. 类似的, 如果按键 KEY2 被按下, 则 KEY6 信号线输出为高电平.

扩展阅读
在FPGA上驱动矩阵键盘的原理和一种按键消抖的实现方法 矩阵键盘

使用矩阵键盘4个按键控制流水灯模式

使用矩阵键盘4个按键控制流水灯模式

• 在这次实验中, 我们需要把 4 个按键分别分配到 Cortex-M0 的 IRQ0-IRQ3 四个中断上, 按键的电平变化就会触发 Cortex-M0 对应的中断. 然后处理器在中断服务程序中, 控制硬件流水灯以不同模式运行.
• 在本实验扩展部分, 将介绍如何利用矩阵键盘的全部 16 个按键实现更加复杂的终端控制功能.
• 本实验实现如下图所示的 SoC.

本次实验的SoC

中断的相关知识

中断是指计算机运行过程中, 出现某些意外情况需要主机干预时, 机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序, 处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行.

根据 ARMv6-M 架构参考手册以及 Cortex-M0 用户手册, CPU 中断处理过程如下:

• CPU 接收到中断信号(IRQ、NMI、Systick等等);
• 将 R0,R1,R2,R3,R12,LR,PC,xPSR 寄存器入栈, 如下图所示;
• 根据中断信号查找中断向量表(对应汇编启动代码中的__Vector段), 跳转至中断处理函数;
• 中断处理函数执行完成后, 利用链接寄存器返回, 寄存器出栈, PC 跳转.

寄存器入栈
异常中断向量表如下图所示.

异常中断向量表
换个角度看中断
中断的本质是处理器对外开放的实时受控接口. 可以设想一个没有中断的计算机体系: 得知某个时刻 CPU 和内存的全部数据状态, 就可以推衍出未来的全部过程. 这样的计算机无法交互, 只是个加速器. 添加中断后, 计算机指定了会兼容哪些外部命令, 并设定服务程序, 这种服务可能打断当前任务. 这使得 CPU "正在执行的程序" 与 "随时可能发生的服务" 二者形成了异步关系, 外界输入的引入使得计算机程序可以实现与外界的交互. 由人实时控制的中断输入, 是无法预测的. 再将中断响应规范化, 进而推广开, 普通人群也就可以控制计算机, 发挥每个人的创造力.

硬件模块代码

第一步, 将按键模块输出的信号接到 Cortex-M0 系统的 IRQ 信号上, 因此在 CortexM0_SoC.v 文件做如下修改.

/*Connect the IRQ with keyboard*/
assign IRQ = 32'b0;
/***************************/

改为:

/*Connect the IRQ with keyboard*/
assign IRQ = {28'b0,key_interrupt};
/***************************/

接下来，我们在 WaterLight 实验的 vivado 约束文件的基础上添加按键端口的约束.

启动代码与 C 编程

我们需要根据 CMSIS 提供的启动代码重新完成自己的启动代码, 具体代码见 "/Task4/keil/startup_CMSDK_CM0.s".

与之前的汇编代码不同的是, 我们在复位处理函数内调用了_main函数, 此函数的作用是将堆栈初始化后跳转至 C 语言中的 main 函数, 而最后一段 __user_initial_stackheap 则是初始化堆栈过程的一部分. 初始化堆栈的具体过程由编译器提供, 无需人为添加.

在中断处理的地方可以看到, 当按键中断发生后, CPU 会根据 __Vector中的中断地址跳转到按键中断处理函数, 在这个函数里面, 首先人为地将寄存器入栈, 然后跳转至 C 语言中的 key 函数, 执行完成后寄存器出栈并返回.

先修改 __Vector 中断向量表如下:

__Vectors       DCD     __initial_sp              ; Top of Stack
                DCD     Reset_Handler             ; Reset Handler
                DCD     0                          ; NMI Handler
                DCD     0                          ; Hard Fault Handler
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                          ; SVCall Handler
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                         ; Reserved
                DCD     0                          ; PendSV Handler
                DCD     0                            ; SysTick Handler
                DCD     KEY0_Handler              ; IRQ0 Handler
                DCD     KEY1_Handler              ; IRQ1 Handler
                DCD     KEY2_Handler              ; IRQ2 Handler
                DCD     KEY3_Handler              ; IRQ3 Handler

添加中断复位函数的入口, 如下:

; add IRQ Handler function here

 ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

改为:

KEY0_Handler    PROC
                  EXPORT KEY0_Handler            [WEAK]
                IMPORT KEY0
                PUSH    {R0,R1,R2,LR}
                   BL        KEY0
                POP        {R0,R1,R2,PC}
                   ENDP

KEY1_Handler    PROC
                  EXPORT KEY1_Handler            [WEAK]
                IMPORT KEY1
                PUSH    {R0,R1,R2,LR}
                   BL        KEY1
                POP        {R0,R1,R2,PC}
                   ENDP

KEY2_Handler    PROC
                   EXPORT KEY2_Handler            [WEAK]
                IMPORT KEY2
                PUSH    {R0,R1,R2,LR}
                   BL        KEY2
                POP        {R0,R1,R2,PC}
                   ENDP

KEY3_Handler    PROC
                   EXPORT KEY3_Handler            [WEAK]
                IMPORT KEY3
                PUSH    {R0,R1,R2,LR}
                   BL        KEY3
                POP        {R0,R1,R2,PC}
                   ENDP

然后, 我们需要定义外设的地址, 以及自己实现的函数, 参考 CMSIS 编写自己头文件. 具体代码见 “/Task4/keil/code_def.h”.

#include <stdint.h>
//INTERRUPT DEF
#define NVIC_CTRL_ADDR (*(volatile unsigned *)0xe000e100)
//WATERLIGHT DEF
typedef struct{
    volatile uint32_t WaterLight_MODE;
    volatile uint32_t WaterLight_SPEED; 
}WaterLightType;
#define WaterLight_BASE 0x40000000
#define WaterLight ((WaterLightType *)WaterLight_BASE)

void SetWaterLightMode(int mode);
void SetWaterLightSpeed(int speed);

第一行 头文件提供了结构体以及结构体运算符 "->" 的支持, 高效地利用结构体定义外设地址, 能够有效地减少代码量, 节约存储空间.

下面以 WaterLight 为例讲解结构体与基地址的使用. 首先我们根据之前 WaterLight 硬件部分设计, WaterLight 在地址空间能有两个寄存器, 分别为 Waterlight_MODE、Waterlight_SPEED, 它们的地址分别为 0x40000000、0x40000004. 两个寄存器在内存空间中是连续的两个字 (word), 因此在结构体中定义两个寄存器时需要按照它们地址的顺序依次定义, 并且类型为 32bit 的 uint32_t. 之后再定义 WaterLight 的基地址为 0x40000000. 这样一来, 当我们使用结构体中第一个元素时, 它的地址则为基地址 +0; 第二个地址为基地址 +4; 第三个地址为基地址 +8 依次类推. 完全符合我们在硬件时定义的地址.

然后, 我们需要完成函数的实现, 具体见

"/Task4/keil/code_def.c".

#include "code_def.h"
#include <string.h>

void SetWaterLightMode(int mode)
{
    WaterLight -> Waterlight_MODE = mode;
}

void SetWaterLightSpeed(int speed)
{
    WaterLight -> Waterlight_SPEED = speed;
}

在有了这些函数以后, 我们根据 startup_CMSDK_CM0.s 启动文件中所写的按键中断服务函数的名称, 在 keyboard.c 中补充完整对应的中断服务函数. 按键中断服务函数中, 每个按键都对应一种流水灯的模式.

#include <stdint.h>
#include "code_def.h"

void KEY0(void)
{
}

void KEY1(void)
{
}

void KEY2(void)
{
}

void KEY3(void)
{
}
改为:

#include <stdint.h>
#include "code_def.h"
void KEY0(void)
{
    SetWaterLightMode(0);
}

void KEY1(void)
{
    SetWaterLightMode(1);
}

void KEY2(void)
{
    SetWaterLightMode(2);
}

void KEY3(void)
{
    SetWaterLightMode(3);
}

最后, 编写主文件, 具体在 "/Task4/keil/main.c". 需要注意的是, 在中断开启之前我们需要使能所用到的中断.

#include "code_def.h"
#include <string.h>
#include <stdint.h>

#define WaterLight_SPEED_VALUE 0x00c9d2ff

int main()
{ 
    //interrupt initial
    NVIC_CTRL_ADDR = 0xf;

    //WATERLIGHT
    SetWaterLightSpeed(WaterLight_SPEED_VALUE);
    while(1){    
    }
}

调试与运行

打开 Keil 工程将编写好的文件添加至工程中, 并在如下图所示的设置中取消勾选 "Don’t Search Standard Libraries", 然后编译, 如下图.

取消勾选
在软件编译通过之后, 我们使用 modelsim 进行仿真, 我们在 testbench 文件中添加了一个按键信号用于触发处理器的中断, 在触发中断后, 我们能够观察处理器内部的变化. 在 object 界面, 我们选择添加 clk,col 按键输入端口, 以及处理器内核的 IPSR 中断程序状态寄存器和 PC 寄存器 vis_ipsr_o. 可以看到在按键输入保持一段时候有效后, IPSR 的值就会变为 16, 根据第三章所述, IPSR 为记录异常标号的寄存器. 此时 IPSR 为 16, 查找中断向量表可知, 此时处理器接收到了 IRQ0 中断.

在 modelsim 仿真通过之后, 我们将相关的文件添加到 vivado 工程中, 最后将 vivado 生成的 bit 流文件下载到 FPGA 开发板上. 我们就能够通过按键控制硬件流水灯的模式.

至此, 我们使用矩阵键盘中的 4 个按键, 通过中断响应的方法实现了对流水灯外设的控制. 然而, 对于一些复杂的应用场景, 可能需要用到更多按键, 如果仍然采用这种一个按键对应一个中断的方式将带来很大的开销 (比如占用过多 CPU 中断端口导致添加新功能时可用中断端口不足). 因此, 本实验介绍另外一种方法, 将矩阵键盘全部按键对应 CPU 上一个中断端口, CPU 在中断响应时通过总线读取按键信息, 进行相应的操作.

END

文章来源：

• https://uestcwq.gitee.io/wq-gitbook/lab4/keyboards.html
• https://uestcwq.gitee.io/wq-gitbook/lab4/keyboards_waterlight.html

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