按键板的原理与实现 系列3---扩展GPIO

    在系统可用的GPIO口数量有限的情况下实现按键板的另一个选择就是：扩展GPIO口。扩展GPIO的方法有很多，市场上已经有很多种类的GPIO口扩展器件，但是从成本上考虑，但它们总是显得昂贵。对于按键板的实现，使用基于一个移位寄存器的方法，因其低成本、方便稳定性而被广泛使用，这里我们将讨论一个基于74LS164的典型扩展IO实现按键板的方法。

1：硬件原理

    嵌入式开发工程师必须要能看懂HW，要看懂电路，只有懂了电路是如何工作的，才可能编写出正确的控制程序。所以，我们首先看一下74LS164（8bit移位锁存寄存器）的工作原理。我们先给出使用74LS164实现按键板的原理图，并针对这个原理图做必要的分析解释。

    对于74LS164，除了供电之外，有两个单向输入端口A、B，一个CLK，一个CLR和8个单向输出口Q0-Q7。我们关心的只是：特定的输入会得到怎样的输出，就是我们应该给GPIO_1 & GPIO_2什么样的信号，可以得到我们想要的输出。74LS164的输入输出状态见下表

    也就是说：实际输入时“A&B”，假定某一时刻A&B=1（高电平）Q0=0，在CLK的上升沿后Q0=1（原A&B的状态） Q1=0（原Q0的状态），就是向后移了一位。实际上可以认为：A&B->Q0->Q1->…->Q7，在CLK的每个上升沿，都会顺序的向后移动一位。如果CLK信号一直为低电平，那么Q0-Q7就会之一保持其当前的状态。这也就是所谓的移位锁存寄存器。

    根据74LS164的原理，分析一下我们的原理图：

1：给GPIO_1（Input A & B）高电平，再给GPIO_2（CLK）送上8个脉冲信号，那么Q0-Q7均为高电平状态。

2：给GPIO_1低电平，接着给GPIO_2一个脉冲信号，则Q0为低电平，Q1-Q7为高电平；此时读取GPIO_3（KS_DET0），若为低电平，则表明KEY_0被按下，若为高电平，则表示KEY_0没有动作。同理，读取GPIO_4（KS_DET1）的状态，可以判断KEY_8的状态。

3：给GPIO_1高电平，然后给GPIO_2一个脉冲信号，则Q0为高，Q1为低，Q2-Q7为高，可以判定KEY_1 & KEY_9的状态

4：此后只需要每次给GPIO_2一个脉冲信号，就可以依次判断其他按键了。

2：软件实现

    基于上面的分析，我们已经很清楚按键判定的原理，知道该如何控制74LS164来实现按键侦测。在开始软件编程之前，一定要搞清楚我们这种实现的每一个步骤，才能确保写出正确的代码。下面是我的一个实现：

 

    上述代码提供了一个判断与74LS164输出端相连的开关量信号状态的标准函数，对侦测按键的函数就显得很简短了。注意到Key_Scan()函数的实现，优先判断无按键动作的情况，因为现实中的按键板在99%的情况下是无按键动作的，这样就显著提高了代码效率。优秀的程序员在写代码的时候，不仅仅会单独从语言特性方面来提高代码执行效率，还很懂得根据项目的特性来提升性能。

3：讨论与总结

1：使用74LS164的扩展，从严格意义上讲，它并不能称作扩展GPIO，但在我们的实现中，它替代了GPIO的作用。例子中的实现使用4个GPIO实现了16个按键。理论上推理下去，N个GPIO可以实现(N-2)*8个按键。

2：按键动作，其实就是一个开关量。只要是涉及对开关量的侦测，我们的实现都可以应用。而编程上只需要简单的封装，就可以想其他IO一样，对其进行侦测