STM32——中断 - 技术栈

1 什么是中断

中断：打断CPU执行正常的程序，转而处理紧急程序，然后返回原暂停的程序继续运行；

对于单片机来说，中断是指CPU正在处理某个事件A，发生了另一件事件B，请求CPU迅速去处理（中断发生）；CPU暂时停止当前的工作（中断响应），转去处理事件B（中断服务）；待CPU处理事件B完成后，再回到原来的事件A（断点）继续执行，这一过程称之为中断。

2 异常类型

F103 在内核水平上搭载了一个异常响应系统，支持为数众多的系统异常和外部中断。其中系统异常有8个（如果把Reset和HardFault也算上的话就是10个），外部中断有60个。除了个别异常的优先级被定死外，其它异常的优先级都是可编程的。有关具体的系统异常和外部中断可在 HAL库文件stm32f1xx.h 这个头文件查询到，在IRQn_Type这个结构体里面包含了F103系列全部的异常声明。

3 NVIC寄存器简介

3.1 优先级定义

在NVIC有一个专门的寄存器：中断优先级寄存器NVIC_IPRx，用来配置外部中断的优先级，IPR 宽度为8bit，原则上每个外部中断可配置的优先级为0~255，数值越小，优先级越高。但是绝大多数CM3芯片都会精简设计，以致实际上支持的优先级数减少，在F103中，只使用了高4bit。

如下所示：

F103使用4bit表达优先级

|---------------------|---------------------|
| bit7 bit6 bit5 bit4 | bit3 bit2 bit1 bit0 |
| 用于表达优先级 | 未使用，读回为0 |

用于表达优先级的这4bit，又被分组成抢占优先级和子优先级。如果有多个中断同时响应，抢占优先级高的就会抢占抢占优先级低的优先得到执行，如果抢占优先级相同，就比较子优先级。如果抢占优先级和子优先级都相同的话，就比较他们的硬件中断编号，编号越小，优先级越高。

优先级的分组由内核外设SCB的应用程序中断及复位控制寄存器AIRCR的PRIGROUP[10:8]位决定，F103分为了5组，具体如下：主优先级=抢占优先级

设置优先级分组可调用库函数HAL_NVIC_SetPriority()实现，有关NVIC中断相关的库函数都在库文件stm32f1xx_hal_cortex.c 和 stm32f1xx_hal_cortex.h 中。

4 中断编程

在配置每个中断的时候一般有3个编程要点：

使能外设某个中断，这个具体由每个外设的相关中断使能位控制。比如串口有发送完成中断，接收完成中断，这两个中断都由串口控制寄存器的相关中断使能位控制。
配置EXTI中断源、配置中断优先级。

/* 配置 EXTI 中断源、配置中断优先级 */
HAL_NVIC_SetPriority(IRQn,PreemptPriority, SubPriority)

IRQn：用来设置中断源，不同的中断中断源不一样，且不可写错，即使写错了程序也不会报错，只会导致不响应中断。具体的成员配置可参考stm32f103xe.h头文件里面的IRQn_Type结构体定义，这个结构体包含了所有的中断源。

PreemptionPriority：抢占优先级，具体的值要根据优先级分组来确定，

SubPriority：子优先级，具体的值要根据优先级分组来确定。

3编写中断服务函数

在启动文件startup_stm32f103xe.s中我们预先为每个中断都写了一个中断服务函数，只是这些中断函数都是为空，为的只是初始化中断向量表。实际的中断服务函数都需要我们重新编写，为了方便管理我们把中断服务函数统一写在stm32f1xx_it.c这个库文件中。关于中断服务函数的函数名必须跟启动文件里面预先设置的一样，如果写错，系统就在中断向量表中找不到中断服务函数的入口，直接跳转到启动文件里面预先写好的空函数，并且在里面无限循环，实现不了中断。

4 EXIT 外部中断/事件控制器

4.1 EXIT简介

EXTI（External interrupt/event controller）---外部中断/事件控制器，管理了控制器的 20 个中断/事件线。每个中断/事件线都对应有一个边沿检测器，可以实现输入信号的上升沿检测和下降沿的检测。EXTI可以实现对每个中断/事件线进行单独配置，可以单独配置为中断或者事件，以及触发事件的属性。

4.2 EXIT功能框图

EXTI 的功能框图包含了EXTI最核心内容，掌握了功能框图，对EXTI就有一个整体的把握，在编程时思路就非常清晰。EXTI功能框图见图17_1。在图1可以看到很多在信号线上打一个斜杠并标注"20"字样，这个表示在控制器内部类似的信号线路有20个，这与EXTI总共有20个中断/事件线是吻合的。所以我们只要明白其中一个的原理，那其他19个线路原理也就知道了。
图一 EXTI功能框图

EXTI 可分为两大部分功能，一个是产生中断，另一个是产生事件，这两个功能从硬件上就有所不同。首先我们来看图1中红色虚线指示的电路流程。它是一个产生中断的线路，最终信号流入到 NVIC 控制器内。

编号1是输入线，EXTI控制器有19个中断/事件输入线，这些输入线可以通过寄存器设置为任意一个GPIO，也可以是一些外设的事件，这部分内容我们将在后面专门讲解。输入线一般是存在电平变化的信号。

编号2是一个边沿检测电路，它会根据上升沿触发选择寄存器(EXTI_RTSR)和下降沿触发选择寄存器(EXTI_FTSR)对应位的设置来控制信号触发。边沿检测电路以输入线作为信号输入端，如果检测到有边沿跳变就输出有效信号1给编号3电路，否则输出无效信号0。而EXTI_RTSR和EXTI_FTSR 两个寄存器可以控制器需要检测哪些类型的电平跳变过程，可以是只有上升沿触发、只有下降沿触发或者上升沿和下降沿都触发。

编号3电路实际就是一个或门电路，它一个输入来自编号2电路，另外一个输入来自软件中断事件寄存器(EXTI_SWIER)。EXTI_SWIER允许我们通过程序控制就可以启动中断/事件线，这在某些地方非常有用。我们知道或门的作用就是有1就为1，所以这两个输入随便一个有有效信号1 就可以输出1给编号4和编号6电路。

编号4电路是一个与门电路，它一个输入是编号3电路，另外一个输入来自中断屏蔽寄存器 (EXTI_IMR)。与门电路要求输入都为1才输出1，导致的结果是如果EXTI_IMR设置为0时，那不管编号3电路的输出信号是1还是0，最终编号4电路输出的信号都为0；如果EXTI_IMR 设置为1时，最终编号4电路输出的信号才由编号3电路的输出信号决定，这样我们可以简单的控制EXTI_IMR 来实现是否产生中断的目的。编号4电路输出的信号会被保存到挂起寄存器 (EXTI_PR) 内，如果确定编号4电路输出为1就会把EXTI_PR对应位置1。

编号5是将EXTI_PR寄存器内容输出到NVIC内，从而实现系统中断事件控制。

接下来我们来看看绿色虚线指示的电路流程。它是一个产生事件的线路，最终输出一个脉冲信号。产生事件线路是在编号3电路之后与中断线路有所不同，之前电路都是共用的。编号6电路是一个与门，它一个输入来自编号3电路，另外一个输入来自事件屏蔽寄存器(EXTI_EMR)。如果 EXTI_EMR设置为0时，那不管编号3电路的输出信号是1还是0，最终编号6电路输出的信号都为0；如果EXTI_EMR设置为1时，最终编号6电路输出的信号才由编号3电路的输出信号决定，这样我们可以简单的控制EXTI_EMR来实现是否产生事件的目的。

编号7是一个脉冲发生器电路，当它的输入端，即编号6电路的输出端，是一个有效信号1时就会产生一个脉冲；如果输入端是无效信号就不会输出脉冲。

编号8是一个脉冲信号，就是产生事件的线路最终的产物，这个脉冲信号可以给其他外设电路使用，比如定时器TIM、模拟数字转换器ADC等等，这样的脉冲信号一般用来触发TIM或者ADC 开始转换。产生中断线路目的是把输入信号输入到NVIC，进一步会运行中断服务函数，实现功能，这样是软件级的。而产生事件线路目的就是传输一个脉冲信号给其他外设使用，并且是电路级别的信号传输，属于硬件级的。另外，EXTI是在APB2总线上的，在编程时候需要注意到这点。

4.3 中断/事件线

EXTI 有20个中断/事件线，每个GPIO都可以被设置为输入线，占用EXTI0至EXTI15，还有另外七根用于特定的外设事件，见图2。
图2

EXTI0 至EXTI15 用于GPIO，通过编程控制可以实现任意一个GPIO作为EXTI的输入源。由图2 可知，EXTI0可以通过AFIO的外部中断配置寄存器1(AFIO_EXTICR1)的EXTI0[3:0]位选择配置为PA0、PB0、PC0、PD0、PE0、PF0、PG0、PH0或者PI0，见图3。其他EXTI线(EXTI 中断/事件线)使用配置都是类似的。
图3

4.4 EXTI 初始化详解

HAL库函数的EXIT初始化非常简单，只需配置好IO口的模式，然后配置中断源、中断优先级、使能中断。

HAL_NVIC_SetPriority：该函数负责EXTI中断/事件线选择，可选EXTI0至EXTI25，可参考表17_1选择，配置优先级。
HAL_NVIC_EnableIRQ：该函数负责控制使能中断。

4.5 外部中断控制实验

4.5.1 编程要点

初始化用来产生中断的GPIO；
初始化EXTI；
配置NVIC；
编写中断服务函数；

4.5.2 软件设计

4.5.2.1 bsp_exit.h

#ifndef __EXTI_H
#define	__EXTI_H

#include "stm32f1xx.h"

//引脚定义
/*******************************************************/
#define KEY1_INT_GPIO_PORT                GPIOA
#define KEY1_INT_GPIO_CLK_ENABLE()        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
#define KEY1_INT_GPIO_PIN                 GPIO_PIN_0
#define KEY1_INT_EXTI_IRQ                 EXTI0_IRQn
#define KEY1_IRQHandler                   EXTI0_IRQHandler

#define KEY2_INT_GPIO_PORT                GPIOC
#define KEY2_INT_GPIO_CLK_ENABLE()        __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
#define KEY2_INT_GPIO_PIN                 GPIO_PIN_13
#define KEY2_INT_EXTI_IRQ                 EXTI15_10_IRQn
#define KEY2_IRQHandler                   EXTI15_10_IRQHandler

/*******************************************************/


void EXTI_Key_Config(void);

#endif /* __EXTI_H */

4.5.2.2 bsp_exit.c

#include "./key/bsp_exti.h"


 /**
  * @brief  配置 PA0 为线中断口，并设置中断优先级
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void EXTI_Key_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 

    /*开启按键GPIO口的时钟*/
    KEY1_INT_GPIO_CLK_ENABLE();
    KEY2_INT_GPIO_CLK_ENABLE();

    /* 选择按键1的引脚 */ 
    GPIO_InitStructure.Pin = KEY1_INT_GPIO_PIN;
    /* 设置引脚为输入模式 */ 
    GPIO_InitStructure.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;	    		
    /* 设置引脚不上拉也不下拉 */
    GPIO_InitStructure.Pull = GPIO_NOPULL;
    /* 使用上面的结构体初始化按键 */
    HAL_GPIO_Init(KEY1_INT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); 
    /* 配置 EXTI 中断源 到key1 引脚、配置中断优先级*/
    HAL_NVIC_SetPriority(KEY1_INT_EXTI_IRQ, 0, 0);
    /* 使能中断 */
    HAL_NVIC_EnableIRQ(KEY1_INT_EXTI_IRQ);

    /* 选择按键2的引脚 */ 
    GPIO_InitStructure.Pin = KEY2_INT_GPIO_PIN;  
    /* 其他配置与上面相同 */
    HAL_GPIO_Init(KEY2_INT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);      
    /* 配置 EXTI 中断源 到key1 引脚、配置中断优先级*/
    HAL_NVIC_SetPriority(KEY2_INT_EXTI_IRQ, 0, 0);
    /* 使能中断 */
    HAL_NVIC_EnableIRQ(KEY2_INT_EXTI_IRQ);
}

4.5.2.3 中断函数

void KEY1_IRQHandler(void)
{
  HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(KEY1_INT_GPIO_PIN); 
}

void KEY2_IRQHandler(void)
{
  HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(KEY2_INT_GPIO_PIN);
}
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  switch (GPIO_Pin)
	{
		case KEY1_INT_GPIO_PIN :
			
		  LED1_TOGGLE
		  break;
		
		case KEY2_INT_GPIO_PIN :
			
		  LED2_TOGGLE
		  break;		
	}
}

4.5.2.4 main.c

/**
  * @brief  主函数
  * @param  无
  * @retval 无
  */
int main(void)
{
  /* 系统时钟初始化成72MHz */
  SystemClock_Config();
	/* LED 端口初始化 */
	LED_GPIO_Config();
  	
	/* 初始化EXTI中断，按下按键会触发中断，
  *  触发中断会进入stm32f7xx_it.c文件中的函数
	*  KEY1_IRQHandler和KEY2_IRQHandler，处理中断，反转LED灯。
	*/
	EXTI_Key_Config(); 
	
	/* 等待中断，由于使用中断方式，CPU不用轮询按键 */
	while(1)                            
	{
	}
}