GPIO input: pull-up/down & đọc nút nhấn

Mở đầu: nút nhấn "ma ám" — không đụng vào cũng tự nhảy trạng thái

Một mạch demo đơn giản: nối một nút nhấn vào chân GPIO, đọc giá trị chân đó để biết nút có được bấm hay không. Không ai chạm vào nút cả — nhưng LED báo trạng thái cứ nhấp nháy loạn xạ, đôi khi đứng yên cả phút, đôi khi đổi liên tục trong vài giây. Không có bug logic nào trong code. Vấn đề nằm ở chỗ hoàn toàn khác: chân đó đang "lửng lơ" về điện — không nối rõ ràng với mức cao (VCC) hay mức thấp (GND) nào cả, nên nó bắt lấy bất kỳ nhiễu điện từ nào bay ngang qua (dây dẫn gần đó, sóng Wi-Fi, thậm chí bàn tay người đưa lại gần) và đọc ra một giá trị hoàn toàn ngẫu nhiên.

Bài 2 dạy cách MCU output ra thế giới. Bài này dạy chiều ngược lại — cách MCU nghe thế giới bên ngoài một cách đáng tin cậy: điện trở kéo nội (pull-up/pull-down), vì sao gần như mọi nút nhấn thực tế đều đấu theo kiểu "active-low", và cách polling một chân trong vòng lặp. Cuối bài, VMCU có thêm khả năng đọc input thật — và bạn sẽ tự tay tắt điện trở kéo để chứng kiến chính hiện tượng nhiễu ngẫu nhiên ở đầu bài, chạy trên engine thật chứ không phải minh hoạ giả định.

1. Chân floating: khi không ai quyết định mức điện áp

Một chân GPIO cấu hình input (Bài 2, MODER = 00) chỉ "lắng nghe" điện áp tại chân đó — bản thân nó không chủ động đẩy dòng ra. Nếu chân này không nối với bất kỳ thứ gì khác (không nút nhấn, không cảm biến, không điện trở), nó ở trạng thái gọi là floating (lửng lơ, thả nổi). Về mặt vật lý, đường dây kim loại dẫn tới chân đó hoạt động như một cái ăng-ten tí hon — bắt lấy nhiễu điện từ môi trường xung quanh và khiến điện áp dao động ngẫu nhiên quanh ngưỡng phân biệt 0/1 của MCU. Kết quả: mỗi lần CPU đọc chân này, nó có thể ra 0 hoặc 1 hoàn toàn tuỳ hứng.

Giải pháp: gắn một điện trở kéo (pull resistor) — điện trở giá trị lớn (chục đến trăm kΩ) nối chân đó về VCC hoặc GND, đủ yếu để không cản trở tín hiệu thật khi có, nhưng đủ mạnh để "quyết định thay" mức điện áp mặc định khi không có gì khác tác động. MCU hiện đại có sẵn điện trở này ngay bên trong chip (không cần hàn thêm linh kiện!) — bật/tắt qua thanh ghi PUPDR, 2 bit cho mỗi chân:

#define GPIOA_PUPDR (*(volatile uint32_t *)0x40010804)

// Bat pull-up cho chan 1 (RMW dung ky thuat Bai 2: xoa 2 bit cu, dat 2 bit moi)
GPIOA_PUPDR = (GPIOA_PUPDR & ~(0b11 << (1 * 2))) | (0b01 << (1 * 2));

2. Active-low vs active-high: vì sao nút nhấn thường "ngược đời"

Khi đấu một nút nhấn vào chân GPIO, có 2 quy ước hoàn toàn hợp lệ. Nghe tên gọi active-low lần đầu dễ thấy phản trực giác — "nhấn nút mà đọc ra 0?" — nhưng đây lại là quy ước phổ biến nhất trong thực tế, đúng vì lý do điện trở kéo vừa học:

Lý do active-low thắng thế: MCU nào cũng có sẵn điện trở kéo NỘI (không tốn linh kiện), và quy ước này chỉ cần nút nhấn nối thẳng chân xuống GND — mọi board MCU đều có chân GND ở khắp nơi, dễ đấu dây hơn hẳn so với phải kéo dây riêng tới VCC cho từng nút. Khi đọc thấy tài liệu hoặc code người khác viết if (!gpio_read(PIN_BUTTON)) (đọc dấu phủ định), gần như chắc chắn đó là quy ước active-low.

3. Polling: đọc chân trong vòng lặp

Cách đơn giản nhất để phát hiện nút được nhấn là polling — liên tục đọc thanh ghi IDR trong vòng lặp main(), so sánh với lần đọc trước để phát hiện thời điểm chuyển trạng thái (cạnh xuống với active-low):

#define GPIOA_IDR (*(volatile uint32_t *)0x40010808)
#define BUTTON_PIN 1

int last_state = 1; // active-low: nha nut = 1

while (1) {
    int current_state = (GPIOA_IDR >> BUTTON_PIN) & 1;
    if (last_state == 1 && current_state == 0) {
        // Vua bat duoc CANH XUONG - nut vua duoc nhan
        handle_button_press();
    }
    last_state = current_state;
}

Polling đơn giản, dễ hiểu, nhưng có 2 giới hạn sẽ quay lại ở các bài sau: nó chiếm dụng CPU liên tục (không làm gì khác được trong lúc chờ — Bài 7 sẽ giới thiệu ngắt như một lựa chọn hiệu quả hơn), và tín hiệu nút nhấn thật có hiện tượng chống dội (bounce) — một lần nhấn vật lý tạo ra hàng chục cạnh lên/xuống giả trong vài mili-giây, khiến code trên phát hiện NHIỀU lần nhấn cho một cú bấm thật — chi tiết đầy đủ ở Bài 5.

4. VMCU: GPIOA vừa đọc được thế giới bên ngoài

VMCU giờ có thêm 2 thanh ghi: PUPDR (địa chỉ 0x40010804, cấu hình điện trở kéo) và IDR (địa chỉ 0x40010808, chỉ đọc — phản ánh mức điện áp thật tại chân). Khác với MODER/ODR (lưu trạng thái cố định), IDR được tính lại MỖI LẦN đọc — đúng bản chất một chân input thật: giá trị của nó phụ thuộc điều gì đang xảy ra ở thế giới bên ngoài NGAY LÚC đọc, không phải một ô nhớ tĩnh.

// Muc logic THAT SU tai 1 chan, dung THU TU UU TIEN cua phan cung that:
gpioaReadPin(pin) {
  if (this.gpioaPinMode(pin) === GPIO_MODE_OUTPUT) {
    return (this.gpioaOdr >>> pin) & 1;             // 1. output: IDR = ODR
  }
  const drive = this.externalDrive[pin];
  if (drive === 0 || drive === 1) return drive;     // 2. mach ngoai (nut nhan) LUON thang
  const pull = this.gpioaPinPull(pin);
  if (pull === GPIO_PULL_UP) return 1;              // 3. dien tro keo quyet dinh
  if (pull === GPIO_PULL_DOWN) return 0;
  return Math.random() < 0.5 ? 0 : 1;               // 4. floating - NHIEU THAT

5. Thực hành: nút nhấn ảo — tắt pull-up để thấy nhiễu thật

Demo dưới đây mô phỏng một nút nhấn đấu active-low vào chân PA1 của VMCU thật — không phải hoạt ảnh. Đọc IDR được cập nhật sống mỗi 150ms để bạn thấy rõ hiện tượng "nhấp nháy ngẫu nhiên" khi floating không phải một khoảnh khắc đơn lẻ mà là liên tục theo thời gian:

#include <stdint.h>

#define GPIOA_PUPDR (*(volatile uint32_t *)0x40010804)
#define GPIOA_IDR   (*(volatile uint32_t *)0x40010808)
#define BUTTON_PIN 1

int main(void) {
    // MODER cho PA1 da la INPUT (00) mac dinh, khong can cau hinh gi them
    // Bat pull-up cho PA1 (active-low: nut noi xuong GND khi nhan)
    GPIOA_PUPDR = (GPIOA_PUPDR & ~(0b11 << (BUTTON_PIN * 2))) | (0b01 << (BUTTON_PIN * 2));

    while (1) {
        int pressed = ((GPIOA_IDR >> BUTTON_PIN) & 1) == 0; // active-low: 0 = dang nhan
        // ...
    }
}

import { VMCU, GPIOA_PUPDR_ADDR, GPIO_PULL_UP } from './vmcu.js';

const cpu = new VMCU();
const pin = 1;

// Bat pull-up cho PA1
cpu.write32(GPIOA_PUPDR_ADDR, GPIO_PULL_UP << (pin * 2));

// Doc song moi 150ms - floating se thay nhay ngau nhien, pull-up se on dinh
setInterval(() => {
  console.log(cpu.gpioaReadPin(pin));
}, 150);

// Gia lap GIU nut (active-low): noi chan xuong GND
cpu.setExternalDrive(pin, 0);
// Gia lap NHA nut: go bo, tra lai cho pull-up/down quyet dinh
cpu.setExternalDrive(pin, null);

Tóm lược

• ✅ Chân input floating (không nối gì) bắt nhiễu điện từ và đọc ra giá trị NGẪU NHIÊN — không phải bug, mà là hệ quả vật lý tất yếu.
• ✅ PUPDR (pull-up/pull-down) là điện trở kéo NỘI trong chip, ép một mức logic mặc định khi không có gì khác tác động — giải quyết dứt điểm hiện tượng floating.
• ✅ Active-low (pull-up + nút nối GND) là quy ước phổ biến nhất trong thực tế vì tận dụng điện trở kéo có sẵn và dễ đấu dây hơn active-high.
• ✅ Polling đọc IDR trong vòng lặp phát hiện cạnh chuyển trạng thái — đơn giản nhưng chiếm CPU liên tục và chưa xử lý chống dội (hẹn Bài 5).
• ✅ VMCU vừa đọc được thế giới ngoài: IDR tính "sống" mỗi lần đọc theo đúng thứ tự ưu tiên output → mạch ngoài → pull → floating.

Trắc nghiệm ôn tập