找不到韌體工作之亡羊補牢專案-Part4
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找不到韌體工作之亡羊補牢專案-Part4

Part 3 練習了 FreeRTOS Queue 和 Logger Service。
雖然除錯很重要啦，但，沒有接任何外部設備就超無聊。
這 Part 就把買來的不同類型按鍵試著接接看!!

Input System：GPIO、Debounce 與 Event Queue

系列文章

前言

按鍵跟鍵盤系統其實不是只有按下跟沒按這麼簡單。

以鍵盤來說，光是電路層面就可能會遇到鬼鍵、多鍵同時按下這些問題。比較完整的鍵盤裡面還會有自己的 MCU 或控制器，負責掃描按鍵矩陣、做 debounce（防彈跳）跟 rollover（多鍵同時輸入），最後才把整理好的按鍵結果送給電腦。

所以如果我們是在 STM32 上自己接按鍵，那這些事情就不能期待電腦或遊戲系統幫你處理，而是要自己在韌體裡做一套輸入系統。這套系統要先把底層細節處理掉，像是 debounce、輸入序列、長按短按判斷等等。

最後再把結果整理成一層介面給遊戲系統用。這樣遊戲邏輯就不用自己去管底層 GPIO 或按鍵掃描，只要知道玩家現在做了什麼操作就好。

本篇目標

  • Input Service
    • 認識並測試五向鍵、輕觸開關與 Joystick Shield 的基本輸入方式
    • 建立獨立的 input_task，透過 polling 週期性掃描按鍵狀態
    • 使用 FreeRTOS queue 實作 input event 的 producer / consumer 模型
    • 讓其他 task 透過 input_service_get_event() 取得 input event
    • 使用 timestamp debounce 實作按鍵防彈跳處理

專案下載

本篇文章對應的完整範例專案已整理在 GitHub Release 中，
如果想直接對照程式碼或跳過環境建立流程，可以從以下連結下載

🍦下載本篇範例專案-Part 4🍦

注意事項

操作到這 Part 時，專案裡已經有不少 task 同時運作。
因此先把 FreeRTOS HEAP SIZE 從預設的 15360 Bytes，加到 32768 Bytes。
FreeRTOS HEAP SIZE 設定

目前有的輸入模組

五向導航按鍵模組

五向導航按鍵模組

預計用途：

  • COM：GND
  • UP / DOWN / LEFT / RIGHT：方向操作
  • MID：確認鍵
  • SET：選單鍵
  • RST：目前先不一定使用，避免和系統 reset 混淆

12×12 輕觸開關

12×12 輕觸開關
紅線為一條鐵片，為同一端

  • 一條接 GPIO
  • 一條接 3.3v / GND

Joystick Shield

Joystick Shield

這塊原本是 Arduino 用的 Joystick Shield，上面有類比搖桿和多顆按鍵。
這一篇會先以五向鍵和輕觸開關為主，Joystick Shield 暫時當作備用測試模組。

輸入系統設計 Polling

這 Part 先用最直覺的 Polling 做法，簡單來講就是週期掃描有沒有人按按鍵，
而另一種方法就是按鍵 Interrupt，不過那個留到下 Part 再來討論。

0. 輸入事件資料流

C
🌕Init side:🌕    MX_GPIO_Init()        |        | 設定按鍵        |        | EXT_UP_Btn     -> GPIO Input        | EXT_DOWN_Btn   -> GPIO Input        | EXT_LEFT_Btn   -> GPIO Input        | EXT_RIGHT_Btn  -> GPIO Input        | EXT_OK_Btn     -> GPIO Input        |        v    LCD GPIO ready-----------    app_main_init()        |        | input_service_init()        |   -> osMessageQueueNew(APP_INPUT_EVENT_QUEUE_DEPTH,        |                        sizeof(input_event_t),        |                        NULL)        v    input event queue ready------------------------🌗Producer side:🌗    input_task        |        v    for (;;) polling loop        |        |         v    scan buttonMap[]        |        | input_task_scan_button(...)        |   -> board_input_is_pressed(...)        |      -> HAL_GPIO_ReadPin(...)        v    raw GPIO state        |        | timestamp debounce        | stable pressed detected        | press/release/short/long pressed detected        v    input_service_post_event(key, action)        |        | osMessageQueuePut(inputEventQueueHandle, ...)        v    input event queue        |        | osDelay(APP_INPUT_SCAN_PERIOD_MS)        v    next polling cycle------------------------🌚Consumer side:🌚    input_debug_task    game_task，之後 Part 6 實作        |        | #include "Input/input_service.h"        | input_service_get_event(&event, osWaitForever)        |   -> osMessageQueueGet(inputEventQueueHandle, ...)        v    input_event_t        |        | event.key        | event.action        | event.timestamp        v    input_debug_task:        LOG_INFO("input", ...)        game_task:        根據目前遊戲狀態處理 INPUT_KEY_- / INPUT_ACTION_*

1. GPIO Input (board_input) 設定

第一步先把實體 GPIO 設定好。
這裡還不急著處理 event 或 debounce，先確認每顆按鍵都有穩定的 HIGH / LOW 來源，避免腳位浮動造成誤判。

Input GPIO 設定

注意一定要選 pull-up / pull-down 其中一個，因為我們的按鍵是最普通的

  • internal pull-up 的話，一端接 GPIO，另一端接 GND；按下後 GPIO 會被接到 GND，所以讀到 LOW。

    TEXT
    STM32 板子                     按鍵3.3V │[Internal Pull-up] │GPIO ------------------------- 按鍵腳1                               │                               │ 按下才接通                               │GND  ------------------------- 按鍵腳2

  • internal pull-down 的話，一端接 GPIO，另一端接 3.3V；按下後 GPIO 會被接到 3.3V，所以讀到 HIGH。

    TEXT
    STM32 板子                     按鍵GPIO ------------------------- 按鍵腳1 │                             │[Internal Pull-down]           │ 按下才接通 │                             │GND                            │                               │3.3V ------------------------- 按鍵腳2

  • No pull-up and no pull-down，是給有辦法主動輸出訊號的按鍵板用的

    TEXT
    STM32 板子                     按鍵擴充板GPIO  <----------------------- OUT，主動輸出 HIGH 或 LOWGND   ------------------------ GND3.3V  ------------------------ VCC

NUCLEO-F767ZI 接腳圖右-button設定
我們這邊綁定到五個 GPIO 腳位

  • PF13，UP 按鍵
  • PE9，DOWN 按鍵
  • PE11，LEFT 按鍵
  • PF14，RIGHT 按鍵
  • PE13，OK 按鍵

都選好之後，別忘記按下 Generate Code，接著就可以開始寫對應的韌體了。
這裡把按鍵輸入歸類到 board_input 資料夾，和 board_gpio（debug 用）、board_led 區分開來。
接著實作 board_input wrapper，目的是之後如果換腳位或換板子，只要改 board_input 這層即可。

C
Board/Src/board_input.c/.h 
typedef enum{    BOARD_INPUT_INT_USER = 0,    BOARD_INPUT_EXT_UP,    BOARD_INPUT_EXT_DOWN,    BOARD_INPUT_EXT_LEFT,    BOARD_INPUT_EXT_RIGHT,    BOARD_INPUT_EXT_OK} board_input_t;bool board_input_is_pressed(board_input_t input){    switch (input)    {        case BOARD_INPUT_INT_USER:        return HAL_GPIO_ReadPin(USER_Btn_GPIO_Port, USER_Btn_Pin) == GPIO_PIN_RESET;        case BOARD_INPUT_EXT_UP:        return HAL_GPIO_ReadPin(EXT_UP_Btn_GPIO_Port, EXT_UP_Btn_Pin) == GPIO_PIN_RESET;        case BOARD_INPUT_EXT_DOWN:        return HAL_GPIO_ReadPin(EXT_DOWN_Btn_GPIO_Port, EXT_DOWN_Btn_Pin) == GPIO_PIN_RESET;        case BOARD_INPUT_EXT_LEFT:        return HAL_GPIO_ReadPin(EXT_LEFT_Btn_GPIO_Port, EXT_LEFT_Btn_Pin) == GPIO_PIN_RESET;        case BOARD_INPUT_EXT_RIGHT:        return HAL_GPIO_ReadPin(EXT_RIGHT_Btn_GPIO_Port, EXT_RIGHT_Btn_Pin) == GPIO_PIN_RESET;        case BOARD_INPUT_EXT_OK:        return HAL_GPIO_ReadPin(EXT_OK_Btn_GPIO_Port, EXT_OK_Btn_Pin) == GPIO_PIN_RESET;        default:        return false;    }}

2. Input Service 設計

GPIO wrapper 只知道硬體按鍵有沒有被按下，但遊戲邏輯不應該直接依賴硬體腳位。
所以中間再加一層 Input Service，把硬體輸入轉成上層看得懂的 input event。

Input Service 主要處理三個部分：

  • 按鈕綁定
  • Input event 設計
  • Input event queue 設計

按鈕綁定

針對每顆 Service 開出來的按鈕和 board_input 定義的硬體按鍵建立 mapping。

C
App/Services/Input/input_service.h 
typedef struct{    input_key_t key;    board_input_t board_input;} input_button_hw_t;static const input_button_hw_t buttonMap[] = {    { INPUT_KEY_UP, BOARD_INPUT_EXT_UP },    { INPUT_KEY_DOWN, BOARD_INPUT_EXT_DOWN },       { INPUT_KEY_LEFT, BOARD_INPUT_EXT_LEFT },    { INPUT_KEY_RIGHT, BOARD_INPUT_EXT_RIGHT },     { INPUT_KEY_OK, BOARD_INPUT_EXT_OK },};

這個 mapping 之後會被 input_task 掃描。

Input event 設計

接著定義 event 的格式。
這裡先把一次輸入拆成三個資訊：哪一顆按鍵、是哪一種動作，以及事件發生的時間點。

input event 分成三個部分：

  • 按到哪一顆按鍵
  • 觸發的動作類型
  • timestamp
C
App/Services/Input/input_service.h 
typedef enum{    INPUT_KEY_TEST = 0,    INPUT_KEY_UP,    INPUT_KEY_DOWN,    INPUT_KEY_LEFT,    INPUT_KEY_RIGHT,    INPUT_KEY_OK,} input_key_t;typedef enum{    INPUT_ACTION_PRESS,    INPUT_ACTION_RELEASE,    INPUT_ACTION_SHORT,    INPUT_ACTION_LONG,} input_action_t;typedef struct{    input_key_t key;    input_action_t action;    uint32_t timestamp;} input_event_t;

這樣做的好處是，後面的 consumer task 不需要知道這個 event 是從 polling 來的，還是從 EXTI 來的。
只要 event 格式一致，遊戲邏輯就可以用同一套方式處理輸入。

Input event queue 設計

Queue 是 Input Service 和其他 task 之間的分界線。
input_task 偵測到按鍵後，把事件丟進 queue；其他 task 則用 blocking 的方式等待事件。

初始化時先建立固定深度的 message queue：

C
App/Services/Input/input_service.c 
#define INPUT_EVENT_QUEUE_DEPTH 8osMessageQueueId_t inputEventQueueHandle;void input_service_init(void) {    inputEventQueueHandle = osMessageQueueNew(        INPUT_EVENT_QUEUE_DEPTH,        sizeof(input_event_t),        NULL    );}

input_service_post_event() 是 producer side 使用的 API。
它負責把 key、action 和當下 tick 包成 input_event_t，再送進 FreeRTOS message queue。

C
App/Services/Input/input_service.c 
osStatus_t input_service_post_event(input_key_t key, input_action_t action){  input_event_t event = {    .key = key,    .action = action,    .timestamp = HAL_GetTick(),  };  if (inputEventQueueHandle == NULL)  {    return osErrorResource;  }  return osMessageQueuePut(inputEventQueueHandle, &event, 0U, 0U);}

input_service_get_event() 則是 consumer side 使用的 API。
之後不管是 debug task 還是 game task，都可以透過這個函式取得整理好的輸入事件。

C
App/Services/Input/input_service.c 
osStatus_t input_service_get_event(input_event_t *event, uint32_t timeout){  if ((inputEventQueueHandle == NULL) || (event == NULL))  {    return osErrorParameter;  }  return osMessageQueueGet(inputEventQueueHandle, event, NULL, timeout);}

3. Input Task 設計

接下來建立真正負責掃描按鍵的 input_task。
第一版先故意寫得很直覺：每隔一段時間掃一次 buttonMap[]，讀取每顆按鍵的 GPIO 狀態，然後把 event 丟進 queue。

C
App/Tasks/Src/input_task.c 
void input_task(void *argument){  (void)argument;  for (;;)  {    for (size_t i = 0U; i < (sizeof(buttonMap) / sizeof(buttonMap[0])); i++)    {      bool raw_pressed = board_input_is_pressed(buttonMap[i].board_input);      if (raw_pressed)      {        input_service_post_event(buttonMap[i].key, INPUT_ACTION_PRESS);      }    }    osDelay(APP_INPUT_SCAN_PERIOD_MS);  }}

上面這版還沒有真正判斷 raw_pressed，所以實際使用時會太吵。
但它很適合當成第一步測試：只要 terminal 看得到 event，就代表 queue 和 consumer 的基本流程已經接起來了。

4. Consumer input_debug_task 設計

input_debug_task 是目前最簡單的 consumer。
它不負責判斷遊戲行為，只是把收到的 input event 印出來，方便先確認按鍵、action 和 timestamp 是否符合預期。

C
App/Tasks/Src/input_debug_task.c 
void input_debug_task(void *argument){  input_event_t event;  for (;;)  {    if (input_service_get_event(&event, osWaitForever) == osOK)    {      LOG_INFO("input", "key=%s action=%s tick=%lu", input_service_key_text(event.key),               input_service_action_text(event.action), event.timestamp);    }  }}

5. 按鍵 timestamp debounce + Event 判斷

前面的第一版 input task 可以驗證 queue 流程，但還不能直接拿來當正式輸入。
按鍵輸入最麻煩的地方通常不是讀 GPIO，而是按鍵彈跳，

機械按鍵按下或放開時，訊號不會是完美的一次 high / low 切換。
它可能會在幾毫秒內抖動很多次，如果不做 debounce，按一次按鍵可能會被判斷成很多次。

主流有兩種做法：

  • timestamp debounce
    • 最適合一般按鍵、方向鍵、A/B 鍵、選單鍵
    • 可以用在我們買的輸入模組，較沒有那麼重要的
  • software timer debounce
    • 適合事件驅動 debounce、低功耗設計、不想讓 input task 固定週期掃描的情境
    • 可以用在 User Button、電源鍵、喚醒鍵或少數重要按鍵

software timer debounce 留給下一篇搭配 EXTI 一起介紹。

C
App/Tasks/Src/input_task.c 
typedef struct{  bool stable_pressed;  bool last_raw_pressed;  uint32_t last_change_tick;  uint32_t press_start_tick;} input_button_state_t;static input_button_state_t buttonState[sizeof(buttonMap) / sizeof(buttonMap[0])];static bool input_task_update_debounce(input_button_state_t *state, bool raw_pressed, uint32_t now){  // 如果這次讀到的 GPIO 狀態跟上次不一樣，代表按鍵可能正在變化，所以先記錄下這個變化的時間點。  // 按鍵剛按下時，GPIO 可能會因為彈跳變成這樣：  // false → true → false → true → true  // 所以程式前面這段會一直更新 last_change_tick。  if (raw_pressed != state->last_raw_pressed)  {    state->last_raw_pressed = raw_pressed;    state->last_change_tick = now;  }  // GPIO 狀態至少維持 APP_INPUT_DEBOUNCE_MS 沒再亂跳，才相信它是真的按下或放開。  if ((now - state->last_change_tick) >= APP_INPUT_DEBOUNCE_MS)  {    // 如果是按下按鍵：raw_pressed = true、stable_pressed = false    // 如果是放開按鍵：raw_pressed = false、stable_pressed = true    if (raw_pressed != state->stable_pressed)    {      state->stable_pressed = raw_pressed;      return true;    }  }  return false;}static void input_task_handle_button_event(const input_button_hw_t *hw, input_button_state_t *state, uint32_t now){  // 如果是穩定按下，就記錄按下的時間點，並送出 PRESS event。  if (state->stable_pressed)  {    state->press_start_tick = now;    (void)input_service_post_event(hw->key, INPUT_ACTION_PRESS);    return;  }  // 如果是穩定放開，就送出 RELEASE event，  // 再根據按下的時間長短來決定是 SHORT 還是 LONG。  uint32_t press_duration = now - state->press_start_tick;  input_action_t action = INPUT_ACTION_SHORT;  (void)input_service_post_event(hw->key, INPUT_ACTION_RELEASE);  // 按下時間 < 300 ms  -> short press ; >= 300 ms -> long press  if (press_duration >= APP_INPUT_LONG_PRESS_MS)  {    action = INPUT_ACTION_LONG;  }  (void)input_service_post_event(hw->key, action);}static void input_task_process_button(const input_button_hw_t *hw, input_button_state_t *state, bool raw_pressed){  uint32_t now = HAL_GetTick();  if (input_task_update_debounce(state, raw_pressed, now))  {    input_task_handle_button_event(hw, state, now);  }}void input_task(void *argument){  (void)argument;  for (;;)  {    for (size_t i = 0U; i < (sizeof(buttonMap) / sizeof(buttonMap[0])); i++)    {      bool raw_pressed = board_input_is_pressed(buttonMap[i].board_input);            input_task_process_button(&buttonMap[i], &buttonState[i], raw_pressed);    }    osDelay(APP_INPUT_SCAN_PERIOD_MS);  }}

6. 測試結果

接線完成後，預期按下按鍵時可以在 terminal 看到 log。

TEXT
//短按[00002872][INFO ][input] key=OK action=PRESS tick=2872[00002992][INFO ][input] key=OK action=RELEASE tick=2992[00002997][INFO ][input] key=OK action=SHORT tick=2992//長按[00004022][INFO ][input] key=OK action=PRESS tick=4022[00004502][INFO ][input] key=OK action=RELEASE tick=4502[00004507][INFO ][input] key=OK action=LONG tick=4502

從邏輯分析儀可以看到，這顆 OK button 平時維持在 HIGH。
因為這個 GPIO 使用 pull-up 設定，所以按鍵沒按時會被拉到高電位。

當按下按鍵時，GPIO 會被接到 GND，因此訊號會變成 LOW。

如果是短按，可以看到低電位只維持一小段時間；
如果是長按，訊號則會持續維持在 LOW，直到放開按鍵後才回到 HIGH。

OK button PE13 邏輯分析儀圖

本篇小結

做這 Part 時真的是多災多難，首先 12×12 輕觸開關都還沒認真搞清楚，就蝦雞巴接上去麵包板，
還花了好幾個小時接線==，哪來的天兵。
雖然有買五向導航按鍵模組，但覺得方向不太對，一直沒有用，直到輕觸開關用不了，才拿出來接。
一接上去不得了，也還是沒有任何反應，接了邏輯分析儀也看不太懂，都沒有變化。

後來才發現，自己生成的文章教學都沒有認真看，1. GPIO Input (board_input) 設定，
就像這章節所說，如果按鈕沒有很高級，就要把 GPIO 設定成 pull-up / pull-down 的其中一個。

接著又因為把章節目標想得太遠了，想要 timestamp debounce 、 Event 判斷，
結果又跟 EXTI 、software timer debounce 全搞在一起做，下場就是這篇寫了快三天。

找不到韌體工作之亡羊補牢專案-Part4

https://rebakery.net/posts/gb-project/part4/

Author

Bakery Chen

Posted on

2026-05-30

Updated on

2026-06-03

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