Chương 23. GPIO driver bằng C++

Mục tiêu

  • Ghép MMIO (chương 21) với template tham số không phải kiểu (chương 15) thành một driver GPIO không chi phí runtime.
  • Biến mỗi chân GPIO thành một kiểu riêng, giúp trình biên dịch bắt lỗi nhầm chân ngay lúc biên dịch.
  • Biết đánh đổi giữa cách này và một class GpioPin thông thường nhận (port, pin) làm tham số hàm.

Câu chuyện: driver GPIO đầu tiên, và cái giá của "linh hoạt"

Cách viết C quen thuộc: void gpio_write(GPIO_TypeDef* port, uint8_t pin, bool high). Nó hoạt động, nhưng pin là số chạy lúc runtime — gọi gpio_write(GPIOA, 99, true) (chân không tồn tại) là lỗi logic chỉ phát hiện được lúc chạy, nếu có kiểm tra. Với template tham số không phải kiểu, Pin trở thành một phần của kiểu, và các phép tính offset/mask được trình biên dịch làm sẵn — không có "chân 99" nào lọt qua nếu bạn giới hạn kiểu đúng.

Kiến thức

1. Mỗi chân là một kiểu

// GPIO driver mong: moi chan la MOT KIEU rieng qua template (ket hop CRTP/template chuong 15 voi
// MMIO chuong 21). Khong vtable, khong con tro ham - trinh bien dich thuong inline het thanh vai lenh doc/ghi thanh ghi.
#include <cstdint>
#include <cstdio>

struct GpioRegs {
    volatile std::uint32_t moder;
    volatile std::uint32_t odr;
    volatile std::uint32_t idr;
};

static GpioRegs g_fake_porta{};
static GpioRegs g_fake_portb{};

enum class Mode : std::uint32_t { Input = 0b00, Output = 0b01 };

// Port va Pin la tham so template KHONG PHAI KIEU (gia tri hang so): moi to hop (Port, Pin) la mot
// kieu GpioPin<...> rieng biet, giai quyet hoan toan luc bien dich.
template <GpioRegs* Port, unsigned Pin>
class GpioPin {
public:
    static void set_mode(Mode m) {
        const auto val = static_cast<std::uint32_t>(m);
        Port->moder = (Port->moder & ~(0b11u << (Pin * 2))) | (val << (Pin * 2));
    }
    static void write(bool high) {
        if (high) Port->odr |= (1u << Pin);
        else Port->odr &= ~(1u << Pin);
    }
    static void toggle() { Port->odr ^= (1u << Pin); }
    static bool read() { return (Port->idr & (1u << Pin)) != 0; }
};

using LedPin = GpioPin<&g_fake_porta, 5>;
using ButtonPin = GpioPin<&g_fake_portb, 3>;

int main() {
    LedPin::set_mode(Mode::Output);
    ButtonPin::set_mode(Mode::Input);

    LedPin::write(true);
    std::printf("ODR porta sau khi bat LED = 0x%08X\n", static_cast<unsigned>(g_fake_porta.odr));

    for (int i = 0; i < 3; ++i) LedPin::toggle();
    std::printf("ODR porta sau 3 lan toggle (le -> tat) = 0x%08X\n", static_cast<unsigned>(g_fake_porta.odr));

    // Gia lap nut nhan duoc "an" (phan cung ghi vao IDR cua portb).
    g_fake_portb.idr |= (1u << 3);
    std::printf("ButtonPin::read() = %s\n", ButtonPin::read() ? "dang an" : "nha");

    // LedPin khong co truong du lieu nao (chi ham static) - la "kieu rong". Theo chuan C++,
    // sizeof toi thieu la 1 (de hai doi tuong khac nhau co dia chi khac nhau), du chuong trinh
    // nay khong bao gio tao doi tuong LedPin nao - chi goi ham static qua ten kieu.
    std::printf("sizeof(LedPin) = %zu (kieu rong; khong doi tuong nao duoc tao trong vi du nay)\n", sizeof(LedPin));
}

ODR porta sau khi bat LED = 0x00000020
ODR porta sau 3 lan toggle (le -> tat) = 0x00000000
ButtonPin::read() = dang an
sizeof(LedPin) = 1 (kieu rong; khong doi tuong nao duoc tao trong vi du nay)

GpioPin<&g_fake_porta, 5> và GpioPin<&g_fake_porta, 6> là hai kiểu khác nhau dù cùng port — giống hệt cách CRTP ở chương 15 làm UartDriver/SpiDriver thành hai kiểu tách biệt. Hệ quả:

  • Không thể gọi nhầm LedPin::write rồi tưởng đang điều khiển ButtonPin — chúng là API riêng biệt, không có tham số pin nào để gõ nhầm số.
  • set_mode, write, toggle, read đều là hàm static: không cần tạo đối tượng, không tốn RAM cho "thể hiện" — toàn bộ trạng thái nằm ở thanh ghi phần cứng (Port), không phải trong đối tượng C++.
  • Với -O2, LedPin::write(true) thường biên dịch thành đúng một lệnh ghi thanh ghi — không có lời gọi hàm thật, không có tham số truyền qua stack.

2. Đặt tên có nghĩa bằng using

using LedPin = GpioPin<&g_fake_porta, 5>; cho code gọi (LedPin::write(true)) đọc như tài liệu phần cứng, thay vì rải số 5 khắp nơi. Đổi board (chân LED khác) chỉ cần sửa một dòng using, không sửa logic gọi.

3. Đánh đổi: kiểu tĩnh so với tham số runtime

GpioPin<Port, Pin> (mỗi chân một kiểu) gpio_write(port, pin, ...) (tham số runtime)
Nhầm chân Bắt được lúc biên dịch (kiểu khác nhau) Chỉ bắt được lúc chạy (nếu có kiểm tra)
Chọn chân lúc chạy (từ cấu hình, EEPROM) Không làm được trực tiếp Làm được
Mảng nhiều chân cùng loại Cần kỹ thuật gộp kiểu (template pack, hoặc bọc bằng lớp ảo — chương 15 mục 3) Tự nhiên (for qua mảng số pin)
Code sinh ra Chuyên biệt cho từng chân, có thể phình nếu quá nhiều chân khác nhau dùng logic phức tạp Dùng chung một hàm

Với chân cố định theo thiết kế phần cứng (LED trạng thái, chip-select cụ thể), cách kiểu tĩnh gọn và an toàn hơn. Với chân chọn lúc chạy (ví dụ driver LED ma trận nhận số chân từ cấu hình người dùng), cần tham số runtime — quay lại nguyên tắc chọn ở chương 15 mục 3: biết lúc nào (biên dịch hay chạy) quyết định cách viết.

Góc nhúng

  • Kiểm tra bằng Compiler Explorer: biên dịch LedPin::write(true) với -O2 --target arm và xem có đúng là một lệnh str/strb duy nhất không.
  • set_mode/write/toggle đọc-sửa-ghi thanh ghi moder/odr — nếu ISR cũng ghi cùng thanh ghi này, cần bảo vệ bằng critical section (chương 24) hoặc dùng thanh ghi set/reset riêng của MCU (BSRR) nếu có, để thao tác là một lệnh ghi nguyên tử phần cứng thay vì đọc-sửa-ghi.
  • Với board có hàng chục chân, cân nhắc sinh code using cho toàn bộ pinout từ một bảng cấu hình (script hoặc constexpr), thay vì gõ tay từng dòng dễ sai.

Lỗi thường gặp

  • Quên set_mode trước khi write/read — chân vẫn ở chế độ mặc định (thường là input) và thao tác không có tác dụng như mong đợi.
  • Đặt Pin vượt quá số bit thực có trên thanh ghi (ví dụ Pin = 20 trên thanh ghi 16 chân) — không có static_assert chặn, hành vi undefined do dịch bit vượt quá kích thước kiểu.
  • Nhầm lẫn GpioPin<&g_fake_porta, 5> và GpioPin<&g_fake_portb, 5> là "cùng chân 5" — chúng khác port, khác kiểu, khác thanh ghi hoàn toàn.
  • Cố gán LedPin sang một biến kiểu ButtonPin — không biên dịch được (đúng như mong muốn, vì đây là hai kiểu khác nhau), nhưng người mới có thể hiểu nhầm là lỗi.

Bài tập

  1. Thêm static_assert(Pin < 16, "So chan vuot qua thanh ghi 16-bit") vào GpioPin và thử khởi tạo với Pin = 20 để xem thông báo lỗi.
  2. Viết GpioPin::read_output() trả về trạng thái hiện tại của odr cho chân đó (không đọc từ idr), hữu ích khi cần biết "mình vừa đặt LED thành gì" mà không phụ thuộc phần cứng đọc lại đúng.
  3. Viết một hàm template template <typename... Pins> void set_all_output() nhận nhiều kiểu GpioPin (parameter pack) và gọi set_mode(Mode::Output) cho tất cả — đây là "cách vòng" đã nhắc ở bài tập chương 15 để làm việc với nhiều kiểu GPIO khác nhau mà không cần lớp cơ sở chung.
  4. So sánh assembly sinh ra giữa LedPin::write(true) và một hàm gpio_write(GpioRegs*, unsigned, bool) tương đương nhận tham số runtime, cùng cờ -O2 — chênh lệch (nếu có) đến từ đâu?

Tóm tắt

  • Template tham số không phải kiểu biến (port, pin) thành một phần của kiểu: nhầm chân trở thành lỗi biên dịch thay vì lỗi runtime.
  • Toàn bộ trạng thái là thanh ghi phần cứng; các hàm static không tốn RAM cho "thể hiện" và thường được inline hoàn toàn.
  • Đánh đổi: mất khả năng chọn chân lúc chạy hoặc gộp nhiều chân vào một mảng đồng nhất — chọn cách phù hợp theo tiêu chí đã có ở chương 15.
← Cấp phát tĩnh, std::pmr và placement newUART, ring buffer và ngắt (ISR) an toàn →