事件驱动和键盘管理设计案例分析-电子发烧友网

周立功教授新书《面向AMetal框架与接口的编程（上）》，对AMetal框架进行了详细介绍，通过阅读这本书，你可以学到高度复用的软件设计原则和面向接口编程的开发思想，聚焦自己的“核心域”，改变自己的编程思维，实现企业和个人的共同进步。

第四章为面向接口的编程，本文内容包括：4.4 事件驱动和4.5 键盘管理。

4.4 事件驱动

>>> 4.4.1 中断与事件驱动

1. 中断

到目前为止，几乎所有的程序都依赖轮询通信。那些代码只是一遍一遍地巡检外围功能部件，并在需要的时候为外围设备提供服务。可想而知，轮询访问不仅消耗了大量的 MCU资源，而且将导致非常不稳定的反应时间。

为了有效地解决上述可能导致整个系统瘫痪的问题，计算机专家提出了一种“实时”的解决方案，通过“中断”使可预见的反应时间维持在几微秒之内。所谓中断是指当 MCU 正在处理某件事情的时候，外部发生的某一“事件”请求 MCU 迅速去处理，于是 MCU 暂时中止当前的工作，转去处理所发生的事件。当中断服务处理完该事件以后，再回到原来被中止的地方继续原来的工作。

但也有可能突发事务请求中断时，可能出现在正常程序流程的任何地方，在正常程序流程中可以选择响应或不响应这个中断请求，突发事件的处理可能会改变整个程序的状态，从而也改变了后续的正常程序流程。

比如，在一次会议上你正在按照计划做报告，这时手机铃声响了，此时，你有两种选择，一是你觉得正在进行的报告更重要，你可以挂断电话或干脆关机，等会后再去处理这个来电；二是你认为这个电话很重要或很快就可处理完毕（不影响做报告），你可以暂停报告转而接听这个电话，当接听完毕后，你再继续做报告，前提是你必须记住接电话前讲到哪里了，当然如果你足够机敏的话，在这次通话中你所接收到的信息可能会改变你随后的报告内容。

由此可见，通过中断方式允许系统在执行主程序时可以响应并处理其它任务，进而中断驱动系统给人们一种假象，MCU 可以同时执行多个任务。而事实上 MCU 不能同时执行 1条以上的指令，它只是暂停主程序转去执行其它程序，完成后再返回继续执行主程序。

从这个角度来看，中断响应非常类似于函数的调用过程。它们两者之间的差别在于中断的响应是由“事件”发起的，而不像函数调用那样，它是在主程序流程中预先设定的，中断是系统响应一些和主程序异步事件，这些事件何时将主程序中断是预先未知的。有了中断就可以实现主机与外设并行工作，支持多程序并发运行，支持实时处理功能。

2. 事件驱动

在现实生活中，“发生的某件事情”就是事件，事实上很多程序都对“发生的事情”做出反应。比如，移动或点击鼠标、按键、或经过一定的时间都是基于事件的驱动程序。

事件驱动程序只是“原地不动”，什么也不做，等待有事件发生，一旦事件确实发生了，它们就会做出反应，完成所有必要的工作来处理这个事件。其实，Windows 操作系统就是事件驱动程序的一个很好的示例，当启动计算机运行 Windows 时，它只是“原地不动”，不会启动任何程序，你也不会看到鼠标光标在屏幕上移动。不过，如果你开始移动或点击鼠标，就会有情况发生。

为了让事件驱动程序“看到”有事件发生，它必须“寻找”这些事件，程序必须不断地扫描计算机内存中用于事件发生的部分，即只要程序在运行就会不断寻找事件。显然，只要移动或点击了鼠标或按下了按键，就会发生事件，这些事件在哪里呢？比如，在内存中存储事件的部分就是事件队列，事件队列就是发生的所有事件的列表，这些事件按它们发生的顺序排列。

如果需要编写一个游戏，则程序必须知道用户什么时候按下一个按键或移动了鼠标。而这些按键动作、点击或移动鼠标都是事件，而且程序必须知道如何应对这些事件，它必须处理事件，程序中处理某个事件的部分称为事件处理器。而事实上并不是发生的每一个事件都要处理，比如，在桌面移动鼠标就会产生成百上千个事件，因为事件循环运行得非常快。每一个瞬间即使鼠标只是移动了一点点，也会生成一个新的事件。不过你的程序可能并不关心鼠标的每一个小小的移动，它可能只关心用户什么时候点击某个部分，因此你的程序可以忽略鼠标移动事件，只关注鼠标点击事件。

事件驱动程序中，对于所关心的各种事件会有相应的事件处理器。如果你有一个游戏使用键盘上的方向来控制一艘船的移动，可能要为 keyDown 事件写一个处理器；相反，如果使用鼠标控制这艘船，就可能为 mouseMove 事件写一个事件处理器。

另一种有用的事件是软件定时器事件，定时器会按设定的间隔生成事件，就像闹钟一样，如果设定好闹钟，并将闹钟打开，每天它都会在固定的时刻响起来。比如，（宏观上）同时处理两个事件。其中，一个为键盘输入事件，另一个为时间事件，用于显示运行的时间，每秒显示一次。

显然，可以在 main()函数设置一个循环，依次检查是否有键盘输入和时间是否到 1 秒？其实都可以直接调用固定的函数来实现“键盘输入处理代码”和“时间处理代码”，但这样不够灵活，此时可以用中断机制来实现，即由硬件来实现对事件的检测并调用指定的函数，这样一来使用注册回调函数机制也就成为了必然。而注册回调函数就是事先用一个函数指针变量保存指定的函数，然后在事件发生时，通过这个函数指针变量调用指定的函数。

>>>4.4.2 软件定时器

我们知道，数码管显示主要做两件事，其一，每隔 5ms 调用一次 digitron_disp_scan()动态扫描显示函数，其次，当需要改变显示内容时，则调用缓冲区操作接口，修改缓冲区中的内容。由于 MCU 设计了类似于闹钟那样的特定性的周期性的中断时钟节拍源，因此由时钟节拍源实现的定时器也是一个周期性的定时器，并产生周期性的中断，这个中断可以看做系统心脏的脉动。即当计数值等于定时时间时，则定时器立即触发中断，计数器重新开始计数，如此周而复始循环计数。

显然，可以使用定时器的周期性的中断实现自动扫描显示，即每隔 5ms 触发中断自动调用 digitron_disp_scan()，这样就可以将 MCU 解放出来执行其它的任务，从而得到更好的性能，其相应的接口函数详见表 4.3。程序员先调用软件定时器函数，然后等待操作完成。通常程序员提供一个由函数指针指定的回调函数，当操作完成后，中断系统会调用回调函数。

表 4.3 软件定时器接口函数

1． am_softimer_t 类型

从面向对象的角度来看，类相当于 C 语言的结构体，这里的 am_softimer_t 是用 typedef自定义的一个对用户隐藏的结构体类型。即：

在使用软件定时器时，需要使用该类型定义一个软件定时器实例（对象），实例的本质是定义一个结构体变量。比如：

显然，对象是类型的实例，即 timer 是 am_softimer_t 类型的一个实例。

2．初始化软件定时器

事先将指定的函数保存在函数指针 p_func 中（注册），当定时时间到时，则通过 p_func调用指定的函数，即注册函数回调机制。

其中的 p_timer 为使用 am_softimer_t 类型定义的软件定时器实例，当定时时间到，则调用 p_func 指向的函数（注册回调函数），am_pfnvoid_t 是 AMetal 声明的函数指针类型，其定义（am_types.h）如下：

由此可见，p_func 指向的函数类型是无返回值，具有一个 void*型参数的函数。p_arg为用户自定义的参数，在定时时间到调用回调函数时，会将此处设置的 p_arg 作为作为参数传递给回调函数；如果不使用此参数，则设置为 NULL。如果返回 AM_OK，说明软件定时器初始化成功；如果返回-AM_EINVAL，说明由于参数错误导致初始化失败。初始化函数的使用范例详见程序清单 4.26。

程序清单 4.26 am_softimer_init ()函数范例程序

其中的 am_softtimer_init()函数（A）与用户自定义的任务函数（C）同属于上层模块的函数，timer_callback()函数（B）为下层模块的函数。由于事先已经将 timer_callback()的地址 time_callback 保存在 p_func 中了，因此，当 am_softtimer_init()调用 timer_callback()时，仅需将用户自定义的任务函数的入口地址作为实参传递给 timer_callback()的形参，即可通过函数指针变量 p_arg 在某个时刻回调用户自定义的任务函数，即在函数 A 调用函数 B 中直接调用回调函数 C。即只要在每次调用 timer_callback()时，给出不同的函数名作为实参，即可回调相应的函数，却不必修改 timer_callback()。

3．启动软件定时器

启动定时器并设置定时时间（单位 ms），然后定时器开始计数。当计数值等于定时时间时，则定时器立即触发中断，计数器重新开始计数，如此周而复始循环计数。当定时器触发中断时，则程序跳转到调用 am_softimer_init()时 p_func 指向的函数，其函数原型为：

p_timer 为使用 am_softimer_t 类型定义的软件定时器实例，ms 为定时时间，单位 ms。如果返回 AM_OK，说明启动定时器成功；如果返回-AM_EINVAL，说明失败参数错误。设置定时器以实现数码管自动扫描显示的代码详见程序清单 4.27。

程序清单 4.27 自动扫描显示实现

程序中，digitron_softimer_set()函数初始化并启动了一个软件定时器，并在定时器回调函数中调用了数码管扫描函数，进而实现了数码管自动扫描。

为了更方便的使用自动扫描，可以将 digitron_softimer_set()合并到 digitron_init()中，形成一个新的 digitron_init_with_softimer()，当用户需要数码管初始化后自动扫描时，只需调用该带软件定时器的初始化函数即可，详见程序清单 4.28。

程序清单 4.28 digitron1.h 文件内容

如程序清单 4.29 所示为再次迭代的 0~59 秒循环显示程序。

程序清单 4.29 0~59 秒计数器范例程序（3）

既然程序是每隔 1s 计数器加 1 后更新缓冲区数据的，那么同样可以使用软件定时器实现每秒加 1 的操作，迭代后的代码详见程序清单 4.30。

程序清单 4.30 0~59 秒计数器范例程序（4）

当启动软件定时器后，秒计数器加1和更新缓冲区数据的工作自动在timer_sec_callback()函数中完成，不再需要主程序干预。现在 while(1)主循环什么事情都不用做，同样实现了 0~59的循环显示。这样一来，数码管就会独立地工作了，那么在 while(1)主循环中，就可以直接去做其它事情。以后遇到“每隔一定时间做某件事”的问题，均可使用软件定时器来实现。

虽然用软件定时器实现自动扫描显示的方法非常巧妙，流程也更加清晰，且程序还可以去做其它的事情，但却是以牺牲程序空间为代价的，即软件定时器要占用一个硬件定时器，以及 438 个字节的 Flash 和 12 个字节的 RAM。同时在使用软件定时器时，由于新建一个软件定时器必须定义一个定时器实例，每个定时器实例还要占用 24 字节，因此要根据硬件资源做出取舍。

4．关闭软件定时器

当软件定时器关闭时，如果再次启动，则调用 am_softimer_start()重新启动。即：

其中的 p_timer 为使用 am_softimer_t 类型定义的软件定时器实例，如果返回 AM_OK，说明停止定时器；如果返回-AM_EINVAL，即参数错误导致关闭失败，详见程序清单 4.31。

程序清单 4.31 am_softimer_stop ()范例程序

现在不妨在程序清单 4.30 的基础上，再增加一个小功能，即每秒加一、蜂鸣器“嘀”一声，详见程序清单 4.32。

程序清单 4.32 0~59 秒计数器+蜂鸣器综合范例程序（1）

通过运行发现，虽然计数器在每秒加 1 时，蜂鸣器也会发出“嘀”的一声，但数码管的某位却会熄灭一下。如果觉得看起来还不够明显，不妨将蜂鸣器的鸣叫时间增加到 500ms。奇怪！为何连显示都不正常了呢？

虽然此前在 main()函数的 while(1)主循环中也使用了延时，但在主程序的延时期间，软件定时器定时时间到而产生的中断事件是可以抢占 MCU 的，所以不会影响其它事件的继续运行。如果在中断环境中调用 buzzer_beep()，程序必须等到蜂鸣器鸣叫结束后才会返回，这样一来就会使回调函数产生 100ms 的延时，从而导致 MCU 被完全占用，不仅 while(1)主循环无法执行，而且连其它的中断事件也无法执行。比如，另一个软件定时器中的数码管动态扫描也就无法执行了，所以在这 100ms 时间内，无法实现数码管动态扫描，于是只有一个数码管显示，另外一个数码管无法显示而处于熄灭的状态。

在这种情况下，应尽可能地将相应功能设计为异步模式，即启动软件定时器，设定蜂鸣器鸣叫时间，打开蜂鸣器，函数立即返回。待定时时间到，则自动调用回调函数，然后在回调函数中关闭蜂鸣器并停止定时器。这就是使用软件定时器实现 buzzer_beep_async()的由来，异步模式的优点是无需等待，函数立即返回，即可在任意地方调用该函数了，再也不会因为

延时而带来副作用，详见程序清单 4.33。

程序清单 4.33 实现蜂鸣器异步鸣叫函数

基于此，将 buzzer_beep_async()添加到 buzzer.h 以利于复用，详见程序清单 4.34。

程序清单 4.34 0~59 秒计数器+蜂鸣器综合范例程序（2）

4.5 键盘管理

>>> 4.5.1 独立按键

1．消抖方法

对于质量不太好或者长期使用簧片氧化磨损的按键来说，常常会产生一种被称为“抖动”的现象。如图 4.12(a)所示为单触点按键的无消抖电路，当按键未按下时，则输出 Y 为高电平；当按下时，则输出 Y 为低电平。但由于按键的机械特性和人手指的不稳定性等综合因素，致使按键盘刚按下的瞬间，因接触不良而产生的反复跳动现象，即“抖动”，同样在按键释放的瞬间也可能产生“抖动”，结果输出 Y 在这一瞬间产生了多个窄脉冲干扰，这些脉冲信号的宽度一般可达毫秒，详见图 4.12 (b)。

图 4.12 无消抖按键电路及波形

“抖动”的脉冲宽度一般有几十到几百微秒，但也可能达到毫秒级，这对运行速度很快的数字电路会产生很大的影响。如果将发生“抖动”现象的按键连接到计数电路的时钟输入端，则检测到每按一次键都会产生一串极不稳定的脉冲。

对实际的产品来说，按键在长时间的使用中永不产生“抖动”是不可能的，但只要预防可能产生的“抖动”即可。抖动其实只持续了一小段时间，软件延时就是在按键产生“抖动”的这段时间里，用“拖延时间”的方法避开，从而消除因“抖动”而产生的错误信号，其示意图详见图 4.13。在按下键的瞬间启动定时器开始延时，延时 td 时间后再判断按键是否仍然按下，若仍按下则本次按键有效，否则本次按键无效。延时消抖由于过程比较复杂，比较适合用软件实现，因此称为软件消抖。

图 4.13 延时消抖

2．电路原理

一般来说，在用法上按键可分为独立按键和矩阵键盘两大类。LPC824 的 P0_10、P0_11是标准的开漏结构，无内部上拉电阻，因此连接按键时必须加上拉电阻。其它的 14 个 GPIO口均有可编程使能的内部上拉电阻，虽然 MCU 内部有几十 KΩ以上的上拉电阻，但均属于弱上拉，所以在实际的应用中，一般都会外接一个阻值适中的上拉电阻，以提高可靠性。

对于独立按键来说，要求比较简单，既不考虑多个键同时按下，也不考虑长按的情况。仅识别是否有键按下的情况，即有键按下一次执行一次操作。如图 4.14 所示是一个独立按键电路图，只要将 AM824-Core的 J14_1 与 J14_2 短接，则 KEY 键接入 PIO0_1。

图 4.14 独立按键电路图

由于一次按键的时间通常都是上百毫秒，相对于 MCU 来说是很长的，因此不需要时时刻刻不断地检测按键，只需要每隔一定的时间（如 10ms）检测 GPIO 的电平即可。其检测方法如下（1 表示高电平、0 表示低电平）：

（1）当无键按下时，由于 PIO0_1 内部自带弱上拉电阻，因此 PIO0_1 为 1；

（2）当 KEY 按下时，则 PIO0_1 为 0。在下一次扫描（延时 10ms 去抖动）后，如果PIO0_1 为 1，说明错误触发；如果 PIO0_1 还是 0，说明确实有键按下，执行相应的操作；

（3）当 KEY 释放时，则 PIO0_1 为 1，在下一次扫描（延时 10ms 去抖动）后，如果PIO0_1 为 0，说明错误触发；如果 PIO0_1 还是 1，说明按键已经释放，执行相应的操作。

3. Key 软件包

AMetal 提供了独立按键初始化和按键扫描函数接口（key1.h），详见程序清单 4.35。

程序清单 4.35 key1.h 接口

如程序清单 4.36 所示为独立按键的范例程序，如果有键按下，则蜂鸣器“嘀”一声；当按键释放后，则 LED0 翻转。

程序清单 4.36 独立按键范例程序

显然，每隔 10ms 调用一次 key1_scan()，即可根据 key_return 的值判断按键事件的产生，但这又是“每隔一段时间做某事”。如果使用软件定时器定时自动扫描，则无需在 while(1)中每隔 10ms 调用一次 key1_scan()，详见程序清单 4.37。

程序清单 4.37 添加软件定时器后的按键范例程序

程序中新增了一个初始化软件定时器 key1_softimer_set()，并启动软件定时器以 10ms的时间间隔，通过 key1_softimer_callback()回调 key1_scan()实现按键扫描。当按键事件发生（返回值不为 0xFF）时，则调用 key1_process()按键处理程序，根据扫描得到的返回值判断按键事件的发生。在 key1_process()按键处理程序中，当有键按下时，蜂鸣器“嘀”一声；当按键释放时，LED0 翻转。由于 key1_process()是在中断环境的回调函数中调用的，因此不能出现阻塞式语句，必须调用异步模式下的 buzzer_beep_async()。

在这里，与软件定时器相关的代码直接放在主程序中，而在实际使用时，更希望将实现和声明分别放在 key1.c 和 key1.h 中，因此需要增加一个接口函数：

虽然按键与数码管都可以使用软件定时器实现自动扫描，但它们之间却存在一定的差异，数码管只要自动扫描即可，但对于按键自动扫描，当扫描到按键事件发生时，还必须通知应用程序做相应的处理。而实际上在封装模块时，并不知道应用程序要做什么事，唯一的办法是采用注册回调机制。当按键事件发生时，调用相应的注册函数。如果需要使用软件定时器，则在初始化时注册一个函数，以便按键事件发生时调用。定义回调函数类型为：

重新定义带软件定时器的初始化函数类型为：

为了便于使用，将上述函数声明和回调函数类型定义添加到程序清单 4.38 所示的 key1.h中，其相关实现代码添加到程序清单 4.39 所示的 key1.c 中。

程序清单 4.38 key1.h 文件内容

程序清单 4.39 新增使用软件定时器自动扫描的程序（key1.c）

当有键按下时，则蜂鸣器“嘀”一声；当按键释放时，则 LED0 翻转，经过迭代后的代码详见程序清单 4.40。

程序清单 4.40 使用软件定时器自动进行按键扫描范例程序

>>> 4.5.2 矩阵键盘

独立按键必须占用一个 I/O 口，当按键数目较多时，这种每个按键占用一个口的方法就显得很浪费了。如何用尽可能少的 I/O 口去管理较多的按键呢？矩阵形式键盘电路就是使用最多的一种，如图 4.15 所示就是一种典型的矩阵式 2×2 键盘电路。采用矩阵键盘方式进行排列，其中 KR0、KR1 为行线，KL0、KL1 为列线。

图 4.15 2×2 矩阵键盘

该接法将口线分成行线（row）和列线（column），如果将它变成比较容易理解的拓扑结构，就是两组垂直交叉的平行线，每个交叉点就是一个按键位置，按键的两端分别接在行线和列线上。其最大优点是组合灵活，假如有16 个 I/O 可用于扩展做键盘电路，我们可以将它接成 6×10、5×11 或 8×8 等多种接法，当然，使用效率最高的是 8×8 的接法，它最多可实现 64 个按键。

MiniPort-Key 按键模块集成了 4 个按键，通过 MiniPort B（排母）与 AM824-Core 相连，同时引出其余不用的 I/O，实现模块的横向堆叠，其对应 AM824-Core 的 MiniPort 接口的 J4的功能定义详见图 4.16。

图 4.16 按键模块实物与接口定义图

2×2 的矩阵键盘共有 4 个按键，分别为 KEY0～KEY3。KR0、KR1 为行线（row），KL0、KL1 为列线（column）。假设选择 KL0、KL1 为输入，当无键按下时，由于内部弱上拉作用，此时读取电平为高电平。当 KEY0 按下时，KL1 依然为高电平，而 KL0 在 KR0 输出低电平时就会得到低电平。显然，只有 KR0、KR1 输出为低电平时，KL0、KL1 才能得到低电平，这就是逐行扫描键盘的方法，即行线为输出，列线为输入，每次扫描一行，扫描该行时，对应行线输出为低电平，其余行线输出为高电平，然后读取所有列线的电平，若有列线读到低电平，则表明该行与读到低电平的列对应的交叉点有按键按下。逐列扫描法恰好相反，其列线为输出，行线为输入，但基本原理还是一样的。AMetal 针对矩阵键盘提供了相应的 matrixkey.h 接口，详见程序清单 4.41。

程序清单 4.41 matrixkey.h 接口

如程序清单4.42所示是使用上述接口的范例程序，即当有键按下时，蜂鸣器在发出“嘀”的一声的同时，通过 LED0 和 LED1 的组合显示按键编号。比如，KEY0 键按下时，两个 LED灯均熄灭。KEY1 按下时显示 01，即 LED0 亮，LED1 熄灭，依此类推。

程序清单 4.42 矩阵键盘范例程序

为了节省引脚，还可以将数码管与矩阵键盘结合起来使用，如图4.17 所示的数码管的 2个 com 端与矩阵键盘的列线是复用的，PIO0_17与 PIO0_23 既是数码管的 com0、com1，又是矩阵键盘的列线 KL0、KL1这样设计反而节省了引脚。作为键盘扫描时需将列线配置为输入，作为数码管扫描时需将 com 端设置为输出。