📚 课程目录第4章 EFR32 GPIO、中断与定时器开发

4. EFR32 GPIO、中断与定时器开发

EFR32 的外设开发有一个显著特点：芯片内部的外设数量多、复用关系复杂，但 Silicon Labs 提供的 Simplicity Configurator（在 Simplicity Studio 中通常以 .isc 配置文件形式存在）可以把引脚分配、时钟树、外设参数和初始化代码生成统一起来。本节围绕 GPIO、外部中断、USART、I2C、SPI、ADC、DAC、定时器/PWM 和 RTC 这几类常用外设，说明如何借助配置器生成初始化代码，并在应用层完成驱动开发。

4.1 从引脚与外设映射开始

EFR32 的每个 GPIO 都可以被多个外设复用，例如 USART0 的 TX/RX 可以映射到 PA0/PA1，也可以映射到 PB7/PB8 等。配置器中的第一步不是写代码，而是确定“哪个外设用哪组引脚”。这一步决定了后续初始化代码中的 GPIO_PinModeSet、GPIO_ExtIntConfig 以及外设初始化函数的参数。

以 EFR32MG21 为例，假设我们要实现一个带按键、LED、串口调试、I2C 传感器和 PWM 调光的节点，可以按如下方式分配：

LED：PA4，推挽输出，初始低电平；
按键：PB0，输入上拉，下降沿触发外部中断；
USART0：PA0 为 TX，PA1 为 RX，波特率 115200；
I2C0：PA2 为 SDA，PA3 为 SCL，速率 100 kHz；
PWM：TIMER0 通道 0 输出到 PA5，频率 1 kHz；
ADC：AIN0 接 PA6，用于采集电位器电压。

在 Simplicity Configurator 中，这些分配会直接反映到生成的 init_mcu.c、init_board.c 和 init_app.c 中。配置器生成的代码通常包含 CMU_ClockEnable、GPIO_PinModeSet、USART_InitAsync、I2C_Init、TIMER_Init 等调用，开发者不需要手写底层时钟使能和引脚复用寄存器。

4.2 GPIO 输入输出与外部中断

GPIO 输出最简单，但要注意驱动能力和初始状态。例如 LED 接 PA4，配置为推挽输出，初始输出低电平，则点亮时调用 GPIO_PinOutSet(gpioPortA, 4)，熄灭时调用 GPIO_PinOutClear(gpioPortA, 4)。如果 LED 是低电平点亮，则逻辑相反，配置时初始输出高电平即可。

按键输入需要处理抖动和中断。配置器中将 PB0 设为输入上拉，并启用外部中断，触发方式选择下降沿。生成的初始化代码会包含类似：

GPIO_PinModeSet(gpioPortB, 0, gpioModeInputPull, 1);
GPIO_ExtIntConfig(gpioPortB, 0, 0, false, true, true);
NVIC_ClearPendingIRQ(GPIO_EVEN_IRQn);
NVIC_EnableIRQ(GPIO_EVEN_IRQn);

在中断服务函数中，应先清除中断标志，再处理按键事件。由于机械按键存在抖动，实际工程中通常不在中断里直接执行复杂逻辑，而是置位一个标志或发送事件到主循环，由主循环做 20 ms 消抖确认。

4.3 串行通信：USART、I2C 与 SPI

USART 常用于调试输出和与模组通信。配置器中设置波特率 115200、8 数据位、1 停止位、无校验，生成 USART_InitAsync 后，发送字符串可以调用 USART_Tx 或使用 printf 重定向。接收侧如果使用中断，需要使能 USART0_RX_IRQn，在中断中读取 USART0->RXDATA 并存入环形缓冲区。

I2C 用于连接传感器，例如 BME280 或 SHT30。配置器中选择 I2C0，设置 SDA/SCL 引脚和 100 kHz 速率，生成 I2C_Init。应用层通过 I2C_TransferSeq_TypeDef 构造读/写序列，调用 I2C_TransferInit 和 I2C_Transfer 完成一次传输。注意 I2C 从机地址通常为 7 位，配置器中的地址字段需要左移一位或按库函数要求填写。

SPI 用于高速外设，如外部 Flash 或显示屏。配置器中选择 SPI0，设置主模式、时钟极性/相位、位速率和片选引脚。生成代码后，使用 SPI_Transfer 或 SPI_Write 发送数据。SPI 没有应答机制，片选时序必须由软件或硬件正确控制。

4.4 ADC、DAC 与定时器/PWM

ADC 用于采集模拟量。配置器中选择 ADC0，设置参考电压、分辨率和输入通道。例如采集 PA6 上的电位器电压，选择 12 位分辨率、内部 1.25 V 参考，则满量程对应 4095。调用 ADC_Init 后，通过 ADC_Start 和 ADC_PollForConversion 获取结果，再按 V = code / 4095 * 1.25 换算电压。

DAC 用于输出模拟电压，EFR32 部分型号支持 12 位 DAC。配置器中使能 DAC0，选择输出引脚，设置参考电压。应用层调用 DAC_Enable 和 DAC_Output 即可输出指定码值。

定时器和 PWM 是控制周期与占空比的核心。配置器中选择 TIMER0，设置频率 1 kHz、通道 0 为 PWM 输出。生成代码后，使用 TIMER_Init、TIMER_CompareSet 和 TIMER_Cmd 启动。占空比通过比较值调整，例如周期为 1000 计数，比较值为 300 时占空比约 30%。

4.5 RTC 与低功耗时间基准

RTC 通常使用 32.768 kHz 低频晶振，用于秒级计时和低功耗唤醒。配置器中使能 RTC，选择 LFXO 作为时钟源，设置预分频和比较值。例如要产生 1 秒中断，预分频设为 32768，比较值设为 1，则每秒触发一次 RTC_IRQHandler。在中断中更新系统时间戳或唤醒主循环。

需要注意的是，RTC 配置与低功耗模式密切相关。如果使用 EM2 深度睡眠，RTC 是少数可以继续运行的外设之一，但必须确保时钟源和电源域配置正确。

4.6 配置器生成代码后的应用层组织

配置器生成的初始化代码通常放在 init_mcu()、init_board() 和 init_app() 中，主函数只需依次调用它们，然后进入应用主循环。应用层不建议直接修改生成文件，而应在单独的 app.c 中封装业务逻辑，例如按键事件处理、传感器读取、PWM 调光和串口命令解析。

一个常见的组织方式是：初始化完成后，主循环轮询按键标志、读取 ADC 值、更新 PWM 占空比，并通过 USART 输出调试信息。中断服务函数只做最小必要操作，例如清除标志、写入缓冲区或置位事件标志。这样既利用了配置器生成的底层初始化，又保持了应用代码的可维护性。

配置器中的引脚分配一旦确定，应同步更新原理图和 PCB 网络表。如果后期修改引脚，必须重新生成初始化代码，并检查所有依赖该引脚的驱动是否仍然一致。

EFR32 的部分外设共享时钟和中断向量。例如 USART0 和 TIMER0 可能共用同一时钟分支，修改时钟树时需确认不会影响已使能的外设。中断优先级也应在配置器中统一规划，避免高优先级中断阻塞低优先级通信。

通过 Simplicity Configurator 完成引脚、时钟和外设参数配置后，开发者可以把精力集中在应用逻辑和数据处理上。GPIO、中断、USART、I2C、SPI、ADC、DAC、定时器/PWM 和 RTC 的初始化代码由工具生成，应用层只需按外设 API 完成读写、转换和事件响应，从而加快 EFR32 无线物联网产品的开发与量产验证。