找不到韌體工作之亡羊補牢專案-Part5
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找不到韌體工作之亡羊補牢專案-Part5

Part 4 練習了 Polling 版本的 Input，想當然學過 OS 的各位肯定也很懷念 Interrupt。
沒有錯，就是有一天要讓自己的胃滿足 大滿足，所以今天的企劃就是，
早餐吃到飽

Input System：EXTI、ISR Notify 與 Software Timer Debounce

系列文章

前言

好，既然都把 EXTI 拆出來這章節了，那就來好好研究研究吧。
畢竟這章節是面試常考題呢，曾經我就被瑞昱問過 UART 的完整 Interrupt 流程呢。

本篇目標

  • Input Service
    • 使用 NUCLEO-F767ZI User Button + EXTI，練習 interrupt 只負責通知，不直接處理完整按鍵邏輯
    • 實作 EXTI + software timer debounce，將中斷觸發後的按鍵狀態整理成穩定的 input event

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 5🍦

名詞介紹

在進入實作前，先整理幾個這段會一直出現的名詞。

  • STM32 HAL

    • HAL 是 Hardware Abstraction Layer 的縮寫，是 ST 提供的一層硬體抽象 API。
    • 透過 HAL，我們可以用像 HAL_XXXX()、HAL_XXXXHandler() 這類函式操作 GPIO、中斷、Timer 等周邊，而不需要一開始就直接操作 register。

  • GPIO HAL Driver

    • GPIO HAL Driver 是 STM32 HAL 裡專門負責 GPIO 的 driver。
    • 例如前面 Polling 版本用到的 HAL_GPIO_ReadPin()，以及這裡 EXTI 會用到的 HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler()、HAL_GPIO_EXTI_Callback()，都屬於 GPIO HAL Driver 相關的 API。

  • EXTI

    • External Interrupt/Event Controller，是 MCU 裡負責偵測外部 GPIO 或內部 peripheral event 是否觸發 interrupt / event 的硬體模組。
    • 以 User Button 為例，按鍵接在 PC13，所以 GPIO 狀態變化會對應到 EXTI13。
    • 可以把 EXTI 想成公司各個門口的感應器，負責發現「哪個門口有人進來」、「哪個按鈕被按下」這類事件。

  • IRQ

    • Interrupt Request，中斷請求。
    • 當 EXTI 偵測到指定的 rising edge 或 falling edge 後，就會產生 IRQ，通知 CPU 有中斷事件需要處理。
    • 可以把 IRQ 想成感應器送出的通知訊號：不是直接處理事情，而是先告訴系統「有事件發生了」。

  • NVIC

    • Nested Vectored Interrupt Controller，是 Cortex-M 裡負責管理中斷的控制器。
    • 它會決定某個 IRQ 是否有被啟用、優先權是多少，以及 CPU 要不要進入對應的中斷處理流程。
    • 可以把 NVIC 想成公司的總機或櫃台主管，收到各個感應器送來的通知後，判斷這件事要不要處理、優先順序怎麼排，以及要叫誰來處理。

  • ISR

    • Interrupt Service Routine，也就是中斷服務程式。
    • 當 IRQ 被 NVIC 接受後，CPU 會跳到對應的 ISR 執行，例如 EXTI15_10_IRQHandler()。
    • 在 STM32 HAL 架構下，ISR 裡通常會呼叫 HAL 提供的 handler，再進一步呼叫到我們實作的 callback。

輸入系統設計 EXTI

前一章節 Polling 版本的做法，是由 input_task 固定週期掃描 GPIO，
這種方式很適合方向鍵、A/B 鍵、選單鍵這類會持續被玩家操作的按鍵，邏輯單純。

不過有些輸入不一定適合一直靠 task 週期性掃描。
例如電源鍵、喚醒鍵、User Button，或是某些外部模組主動通知 MCU 的訊號，通常會希望在狀態變化時可以比較即時地通知系統。

這種時候就可以使用 EXTI，讓 GPIO 狀態變化先觸發 interrupt。
但 interrupt 裡不適合做太多事情，所以 ISR 只負責「通知有事件發生」，真正的 debounce、狀態判斷、event queue 發送，還是交給 task 處理

所以這一段先用 NUCLEO-F767ZI 板上的 User Button 練習 EXTI。
目標不是把所有按鍵都改成 interrupt，而是先熟悉：

  • GPIO 如何設定成 EXTI
  • 中斷發生後如何進入 callback
  • ISR 裡如何通知 input_irq_task
  • 如何搭配 software timer 做 debounce
  • 最後如何把穩定後的按鍵狀態轉成 input event

流程上可以這樣理解：

C
GPIO 狀態變化    |    vEXTI 偵測到外部事件    |    v產生 IRQ    |    vNVIC 判斷這個 IRQ 是否啟用、優先權怎麼排    |    vCPU 進入對應 ISR

0. 輸入事件資料流

C
🌕Init side:🌕    MX_GPIO_Init()        |        | 設定 USER_Btn 的 GPIO / EXTI mode        |        | GPIO_InitStruct.Pin = USER_Btn_Pin;        | GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING;        | GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;        | HAL_GPIO_Init(USER_Btn_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);        |        | 設定 EXTI15_10 的 NVIC priority / enable IRQ        |        | HAL_NVIC_SetPriority(EXTI15_10_IRQn, 5, 0);        | HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);        v    USER_Btn EXTI ready-----------    app_main_init()        |        | input_service_init() 這邊採用跟 Polling 一樣的        |   -> osMessageQueueNew(APP_INPUT_EVENT_QUEUE_DEPTH,        |                        sizeof(input_event_t),        |                        NULL)        v    input event queue ready-----------       input_irq_task()        |        | inputIrqTaskHandle = osThreadGetId()        |   記住目前 task 的 handle，        |   之後 ISR 裡的 osThreadFlagsSet() 才知道要通知哪個 task。        |        | userButtonDebounceTimerHandle =        |   osTimerNew(input_irq_task_user_button_timer_cb,        |              osTimerOnce,        |              NULL,        |              NULL)        |   建立一個 one-shot software timer，        |   之後收到 EXTI 通知時，會用這個 handle 呼叫 osTimerStart()。        |        |   timer 到期後會執行：        |   input_irq_task_user_button_timer_cb()        |        v    input_irq_task ready------------------------🌗Interrupt side:🌗    User Button pressed / released        |        | PC13 GPIO level changed        v    EXTI detects selected edge        |        | PC13 -> EXTI13        | Rising / Falling edge triggered        |        | 這段是 EXTI peripheral 硬體行為，        | 不是一般 user code function。        v    EXTI generates IRQ        |        | EXTI13 belongs to EXTI line[15:10]        v    NVIC receives IRQ        |        | NVIC checks:        |   - Is EXTI line[15:10] interrupt enabled?        |   - What is its priority?        |        | 這裡使用的是前面 MX_GPIO_Init()        | 已經設定好的 NVIC priority / enable 狀態。        v    CPU enters ISR        |        | 程式碼位置：        |   - Core/Src/stm32f7xx_it.c        |        | EXTI15_10_IRQHandler()        |   - 真正的 ISR 入口        |   - 由 NVIC 讓 CPU 跳進來執行        |   - 對應 EXTI line[15:10] interrupts        |        |   -> HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(USER_Btn_Pin)         |       - 是 STM32 HAL GPIO driver 提供的通用 EXTI 處理函式，不是新的 ISR 入口。        |       - 它負責處理 GPIO EXTI 的共用流程：        |           - 檢查指定 GPIO pin 的 EXTI pending flag        |           - 清除 interrupt pending flag        |           - 呼叫 HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin)        |           這樣每個 EXTI IRQ handler 不需要自己重寫檢查 flag、清 flag、呼叫 callback         |        v    HAL GPIO EXTI callback        |        | 程式碼位置：        |   - Core/Src/stm32f7xx_it.c        |   - 或自己實作 callback 的檔案        |        | HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin)        |   -> check GPIO_Pin == USER_Btn_Pin        |       ->input_irq_task_notify_user_button_from_isr()        |           -> osThreadFlagsSet(inputTaskHandle,        |                       INPUT_THREAD_FLAG_USER_BTN_IRQ)        v    input_irq_task notified------------------------🌓Producer side:🌓    input_irq_task        |        | osThreadFlagsWait(INPUT_THREAD_FLAG_USER_BTN_IRQ,        |                   osFlagsWaitAny,        |                   osWaitForever)        v    received INPUT_THREAD_FLAG_USER_BTN_IRQ        |        | osTimerStart(userButtonDebounceTimerHandle,        |              APP_INPUT_EXTI_DEBOUNCE_MS)        v    software timer debounce delay        |        | timer expired        | 代表 debounce 等待時間到了，        | 不是 timer 自己判斷按鍵穩定，        | 而是準備重新讀一次 GPIO。        v    input_irq_task_user_button_timer_cb()        |        | board_input_is_pressed(BOARD_INPUT_INT_USER)        |   -> HAL_GPIO_ReadPin(...)        v    read GPIO again after debounce delay        |        | if pressed != userButtonStablePressed        v    stable state changed        |        | userButtonStablePressed = pressed        v    if userButtonStablePressed == true        |        | input_service_post_event(INPUT_KEY_TEST,        |                          INPUT_ACTION_PRESS)        |   -> osMessageQueuePut(inputEventQueueHandle, ...)        v    input event queue------------------------🌚Consumer side:🌚    input_debug_task    game_task，之後 Part 7 實作        |        | input_service_get_event(&event, osWaitForever)        v    input_event_t        |        | event.key        | event.action        | event.timestamp        v    LOG_INFO("input", ...)

1. CubeMX EXTI 設定

在開始設定 EXTI 之前，先看一下 STM32F767ZIT6 的 External interrupt/event GPIO mapping。

STM32F767ZIT6_spec

在 Reference Manual 的 11.8 External interrupt/event line mapping 章節裡，可以看到 GPIO 和 EXTI line 的對應關係。

External interrupt/event GPIO mapping

STM32 的 EXTI 不是每一顆 GPIO 都有一條獨立的 interrupt line，而是依照 GPIO 的 pin number 對應到 EXTI0 ~ EXTI15。

例如：

  • PA0 / PB0 / PC0 ... 會共用 EXTI0
  • PA1 / PB1 / PC1 ... 會共用 EXTI1
  • PA13 / PB13 / PC13 / PE13 ... 會共用 EXTI13
  • PA15 / PB15 / PC15 ... 會共用 EXTI15

也就是說，EXTI13 同時間只能從其中一個 GPIO port 接進來。

以 NUCLEO-F767ZI 板上的 User Button 為例，這顆按鍵通常已經在 CubeMX 裡被命名成 USER_Btn，而且接在 PC13。
因為 PC13 對應的是 EXTI13，所以如果外部按鍵剛好也接在 PE13，就不能同時把 PC13 和 PE13 都設定成 GPIO EXTI。

PC13 EXTI 設定

在 CubeMX 裡，選到 PC13 之後，可以看到 GPIO mode 有幾種跟 EXTI 有關的選項：

  • External Interrupt Mode with Rising edge trigger detection
  • External Interrupt Mode with Falling edge trigger detection
  • External Interrupt Mode with Rising/Falling edge trigger detection
  • External Event Mode with Rising edge trigger detection
  • External Event Mode with Falling edge trigger detection
  • External Event Mode with Rising/Falling edge trigger detection

這裡要選的是 External Interrupt Mode，因為我們希望 GPIO 狀態變化時可以進到 interrupt handler，後面再透過 ISR 通知 input_irq_task。

至於 External Event Mode，它比較像是產生事件訊號，不一定會進入 CPU 的中斷處理流程。這篇的目標是練習 GPIO interrupt notify task，所以先不使用 Event Mode。

觸發邊緣可以依照需求選擇：

  • 只想處理「按下」那一瞬間，可以選 Rising edge 或 Falling edge，實際要看按鍵電路按下時是變成 HIGH 還是 LOW
  • 想同時觀察按下與放開，可以選 Rising/Falling edge

這篇為了搭配 software timer debounce，會先使用 Rising/Falling edge。
這樣按下和放開都會進 interrupt，但 ISR 裡不直接判斷按鍵事件，而是啟動 debounce timer。等 timer 到期後，再重新讀一次 GPIO，確認目前狀態是否真的穩定。

接著還要到 NVIC 裡啟用對應的 EXTI interrupt。

NVIC Interrupt Table

因為 User Button 接在 PC13，所以它對應到的是 EXTI13。
在 NVIC 裡要 enable 的中斷項目是：

TEXT
EXTI line[15:10] interrupts

這裡不會看到單獨的 EXTI13 interrupt，是因為 STM32 的 EXTI line 在 NVIC 裡會依照編號分組。

大致上可以分成：

  • EXTI0 ~ EXTI4：各自有獨立的 interrupt handler
  • EXTI5 ~ EXTI9：共用 EXTI9_5_IRQHandler
  • EXTI10 ~ EXTI15：共用 EXTI15_10_IRQHandler

所以 User Button 的中斷路徑可以理解成：

TEXT
PC13 → EXTI13 → EXTI15_10_IRQHandler

也就是說，當 PC13 觸發外部中斷時，最後會進到 EXTI15_10_IRQHandler 這組中斷入口。

另外，CubeMX 的 NVIC Interrupt Table 不一定會把所有 EXTI interrupt 都列出來。
它通常會根據目前專案裡有被設定成 GPIO_EXTI 的腳位，顯示對應需要啟用的 interrupt。

以目前設定來說，只有 PC13 被設定成 GPIO_EXTI13，所以畫面上只會看到 EXTI line[15:10] interrupts。
如果之後把 PE9 改成 GPIO_EXTI9，NVIC 裡才會出現 EXTI line[9:5] interrupts。

設定完成後，CubeMX 產生的 code 裡就會包含對應的 EXTI IRQ handler。

C
Core/Src/stm32f7xx_it.c 
/**  * @brief This function handles EXTI line[15:10] interrupts.  */void EXTI15_10_IRQHandler(void){  /* USER CODE BEGIN EXTI15_10_IRQn 0 */  /* USER CODE END EXTI15_10_IRQn 0 */  HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(USER_Btn_Pin);  /* USER CODE BEGIN EXTI15_10_IRQn 1 */  /* USER CODE END EXTI15_10_IRQn 1 */}
C
Drivers/STM32F7xx_HAL_Driver/Src/stm32f7xx_hal_gpio.c 
/**  * @brief  This function handles EXTI interrupt request.  * @param  GPIO_Pin Specifies the pins connected EXTI line  * @retval None  */void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin){  /* EXTI line interrupt detected */  if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_Pin) != RESET)  {    __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_Pin);    HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin);  }}/**  * @brief  EXTI line detection callbacks.  * @param  GPIO_Pin Specifies the pins connected EXTI line  * @retval None  */__weak void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin){  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */  UNUSED(GPIO_Pin);  /* NOTE: This function Should not be modified, when the callback is needed,           the HAL_GPIO_EXTI_Callback could be implemented in the user file   */}

2. ISR, Callback 只做通知，不直接處理按鍵

HAL_GPIO_EXTI_Callback() 在 HAL driver 裡是 __weak 定義，代表 ST 先提供一個預設的空實作。
如果我們在自己的程式裡實作同名 function，就可以覆寫掉原本的 weak callback。

這裡的 callback 只做一件事：確認是不是 USER_Btn_Pin 觸發，然後通知 input_irq_task 有 User Button 的 EXTI 事件發生。

因為這個 callback 是從 ISR 呼叫鏈裡執行，所以裡面不要直接做 debounce、不要等待、也不要做太多邏輯。
實際的 debounce 會交給後面的 input_irq_task 和 software timer 處理。

C
Core/Src/stm32f7xx_it.c 
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin){  if (GPIO_Pin == USER_Btn_Pin)  {    input_irq_task_notify_user_button_from_isr();  }}
C
App/Tasks/Src/input_irq_task.c 
#define INPUT_THREAD_FLAG_USER_BTN_IRQ (1UL << 0)static osThreadId_t inputTaskHandle = NULL;void input_irq_task_notify_user_button_from_isr(void){  if (inputTaskHandle != NULL)  {    (void)osThreadFlagsSet(inputTaskHandle, INPUT_THREAD_FLAG_USER_BTN_IRQ);  }}

3. input_irq_task + software timer debounce 設計

Polling 版本的 debounce 是靠每次掃描 GPIO 時，比對 HAL_GetTick() 和上次變化時間。

EXTI 版本的 debounce 則改成：

  1. EXTI 發生
  2. 通知 input_irq_task
  3. input_irq_task 啟動一次性 software timer
  4. timer 到期後重新讀 GPIO
  5. 如果狀態真的改變，再送出 input event
C
App/Tasks/Src/input_irq_task.c 
#define APP_INPUT_EXTI_DEBOUNCE_MS 30Ustatic osTimerId_t userButtonDebounceTimerHandle;static bool userButtonStablePressed;static void input_irq_task_user_button_timer_cb(void *argument){  bool pressed;  (void)argument;  pressed = board_input_is_pressed(BOARD_INPUT_INT_USER);  if (pressed != userButtonStablePressed)  {    userButtonStablePressed = pressed;    if (userButtonStablePressed)    {      (void)input_service_post_event(INPUT_KEY_TEST, INPUT_ACTION_PRESS);    }    else    {      (void)input_service_post_event(INPUT_KEY_TEST, INPUT_ACTION_RELEASE);    }  }}void input_irq_task(void *argument){  (void)argument;  inputIrqTaskHandle = osThreadGetId();  userButtonDebounceTimerHandle = osTimerNew(input_irq_task_user_button_timer_cb, osTimerOnce, NULL, NULL);  LOG_INFO("input_irq", "user button debounce timer created");  for (;;)  {    uint32_t flags = osThreadFlagsWait(INPUT_THREAD_FLAG_USER_BTN_IRQ, osFlagsWaitAny, osWaitForever);    if ((flags & INPUT_THREAD_FLAG_USER_BTN_IRQ) != 0U)    {      if (userButtonDebounceTimerHandle != NULL)      {        (void)osTimerStart(userButtonDebounceTimerHandle, APP_INPUT_EXTI_DEBOUNCE_MS);      }    }  }}

4. 測試結果

完成後開機，且按下 User Button ，預期會看到類似下面的 log：

TEXT
[00000020][INFO ][input_irq] user button debounce timer created[00265437][INFO ][input] key=TEST action=PRESS tick=265437[00266314][INFO ][input] key=TEST action=RELEASE tick=266314

5. EXTI 與普通 GPIO input 比較

這邊可以順便比較一下 EXTI 和前一篇 Polling input 的差異。

Polling 版本是把 GPIO 設成一般 input，然後由 input_task 固定週期去讀取目前狀態。
也就是說，按下或放開都不是 GPIO 主動通知系統，而是 task 每隔一段時間去問一次：
這顆按鍵現在是 pressed 還是 released?
所以 Polling 版本能偵測到 release，是因為下一次掃描時讀到 GPIO 狀態已經從 pressed 變成 released。

EXTI 版本則不同，GPIO 被設定成 external interrupt mode 後，只要符合設定的 edge，就會觸發一次 interrupt。
例如這篇使用 Rising/Falling edge：

  • 按下：GPIO 狀態變化，觸發一次 EXTI
  • 放開：GPIO 狀態變化，也觸發一次 EXTI

也就是說，EXTI 的觸發點來自 GPIO 電位變化的 edge，而不是 task 持續掃描。
不過 EXTI 本身只代表「GPIO 有變化」，不代表可以直接相信當下狀態。

EXTI 觸發後先啟動 software timer，等 debounce 時間到期後，再重新讀一次 GPIO。
最後還是和 Polling 版本一樣，透過目前讀到的 GPIO 狀態和上一次穩定狀態比較，來判斷這次是 press 還是 release。

本篇小結

承接上回，這 Part 理所當然的也是做的一蹋糊塗，
但我覺得這邊偏向，沒搞太懂 EXTI IRQ NVIC ISR，就開始蝦雞巴生程式碼，
Interrupt 流程跳來跳去，根本看不懂，完全就是當時做 FSW 接 OCI 的慘況。
該用 .ioc 生成的就用 CUBEMX 生成，否則會一團亂

題外話，做到這章節發現 Log queue 因為開機印太多資訊，需要依照情況調整
APP_LOG_QUEUE_DEPTH

找不到韌體工作之亡羊補牢專案-Part5

https://rebakery.net/posts/gb-project/part5/

Author

Bakery Chen

Posted on

2026-05-31

Updated on

2026-06-03

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