【动手学STM32G4】（2）STM32G431之外部中断—按键控制

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 【动手学STM32G4】（2）STM32G431之外部中断
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 【动手学STM32G4】（4）STM32G431之PWM
【动手学STM32G4】（5）STM32G431之ADC+DAC
【动手学STM32G4】（6）STM32G431之UART串口通信
 【动手学STM32G4】（7）STM32G431之USB虚拟串口

【动手学STM32G4】（2）STM32G431之外部中断

- [1. 项目简介](#1. 项目简介)
- - [1.1 实验目标](#1.1 实验目标)
  - [1.2 GPIO简介](#1.2 GPIO简介)
  - [1.3 外部中断简介](#1.3 外部中断简介)
  - [1.4 实验条件](#1.4 实验条件)
- [2. STM32CubeMX工程配置](#2. STM32CubeMX工程配置)
- - [2.1 新建工程](#2.1 新建工程)
  - [2.2 基础配置](#2.2 基础配置)
  - [2.3 GPIO 配置](#2.3 GPIO 配置)
  - [2.4 中断配置](#2.4 中断配置)
  - [2.5 时钟与项目配置](#2.5 时钟与项目配置)
- [3. CubeIDE 编程与调试](#3. CubeIDE 编程与调试)
- - [3.1 程序实现](#3.1 程序实现)
  - [3.2 编译与下载](#3.2 编译与下载)
  - [3.3 运行与测试](#3.3 运行与测试)

1. 项目简介

1.1 实验目标

本实验旨在通过STM32G431微控制器的外部中断功能，实现对用户按键的响应，从而灵活控制板载LED灯的工作状态，掌握STM32G4系列的外部中断编程技术。

实验一：按键控制

复位后初始化：开发板复位后，LD2用户LED自动点亮

按键响应：按下用户按键（PC13），立即触发外部中断，实现LED状态的即时翻转（亮/灭切换）

学习重点：外部中断的基本配置、中断服务程序的编写、GPIO状态控制

1.2 GPIO简介

基本概念

GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）是微控制器最基本、最常用的外设接口。在STM32G431中，每个GPIO引脚都可以通过软件配置为以下模式：

输入模式：读取外部信号状态
- 浮空输入
- 上拉输入
- 下拉输入
输出模式：驱动外部设备
- 推挽输出
- 开漏输出
复用功能：用于特定的外设功能（如USART、SPI、I2C等）
模拟模式：用于ADC、DAC等模拟功能

本实验涉及的GPIO引脚

本实验使用 NUCLEO-STM32G431RB 开发板，涉及两个关键的GPIO引脚：

PA5引脚：

连接至板载 LD2（绿色LED）

低电平有效（输出低电平时LED亮）

配置为推挽输出模式

最大输出电流：20mA

驱动能力：可直连LED，无需外部驱动电路
PC13引脚：

连接至蓝色用户按键 B1

按键按下时，PC13引脚接地（低电平）

按键释放时，通过板载上拉电阻恢复高电平

配置为外部中断输入模式

内置可配置的上拉/下拉电阻

EXTI可以监测指定 GPIO 的电平信号，当电平变化时，EXTI 向 NVIC 发出中断申请，支持上升沿、下降沿、双边沿、软件触发。如果发生 EXTI 外部中断，可以发生中断响应或者事件响应，中断响应就是执行中断程序，事件响应就是操作外设而不触发中断。

STM32G431 的 GPIO支持多种输出速度：低速：2MHz，中速：25MHz，高速：50MHz，超高速：150MHz。对于LED控制，选择低速或中速即可满足要求，有助于降低功耗和电磁干扰。

1.3 外部中断简介

中断基本概念

中断是微控制器响应外部或内部事件的机制，它允许CPU在执行正常程序的过程中，暂停当前任务，转而处理紧急事件，处理完成后返回原程序继续执行。

使用中断可以实时响应，提高效率，实现多任务处理。

外部中断（EXTI）系统

STM32G431的外部中断控制器（EXTI）支持：

中断线（Interrupt Line）：EXTI0至EXTI21
事件线（Event Line）：EXTI0至EXTI15可用于产生中断和事件
多路复用：每个中断线可通过SYSCFG配置连接到不同的GPIO引脚

外部中断触发方式

STM32 的 EXTI支持多种触发方式：

上升沿触发
信号从低电平跳变到高电平时触发，适用于按键释放检测；
下降沿触发
信号从高电平跳变到低电平时触发，适用于按键按下检测；
双边沿触发
上升沿和下降沿都触发，用于检测信号变化；
软件触发
通过软件写入中断挂起寄存器触发。

本实验采用上升沿触发方式检测按键释放。

中断处理流程

本实验中的中断处理遵循以下流程：

bash 复制代码

按键物理动作
    ↓
PC13引脚电平变化（下降沿→低电平）
    ↓
EXTI13中断请求（如果配置为下降沿触发）
    ↓
NVIC（嵌套向量中断控制器）接收请求
    ↓
CPU暂停当前任务，保存现场
    ↓
跳转到EXTI15_10中断向量（EXTI10-15共享）
    ↓
执行中断服务程序（ISR）
    ↓
调用HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler() → HAL_GPIO_EXTI_Callback()
    ↓
在回调函数中处理按键逻辑
    ↓
恢复现场，返回原程序

中断优先级管理

STM32G431采用嵌套向量中断控制器（NVIC），具有：

抢占优先级：高优先级中断可以打断低优先级中断；
子优先级：相同抢占优先级时，子优先级决定执行顺序；
优先级分组：可配置抢占位数和子优先位数。

在本实验中，外部中断配置为默认优先级，确保按键能够及时响应。

1.4 实验条件

硬件平台：NUCLEO-G431RB 开发板
STM32G431RB 32位微控制器基于Arm® Cortex®-M4内核，内核工作频率为170 MHz，采用LQFP64封装，配128 Kb的闪存和32 Kb的SRAM
NUCLEO-G431RB 控制板集成了STLINK-V3E调试器和编程器，提供了全面的免费软件库和例程，可从STM32Cube MCU软件包获得。

LD2用户LED（PA5引脚）
蓝色用户按键B1（PC13引脚）

软件平台：
STM32CubeMX
STM32CubeIDE

2. STM32CubeMX工程配置

2.1 新建工程

启动 STM 32CubeMX并选择芯片
（1）打开 STM32CubeMX。
（2）选择 New Project（或Ctrl-N快捷键）新建工程，进入 New Project 界面。
（3）选择 MCU 为 STM32G431RBT6（参考开发板的 MCU 型号选择）。
（4）双击芯片图标或点击"Start Project"，创建新工程。

2.2 基础配置

工程创建后，进入主配置界面，包含：

bash 复制代码

├── 左侧：Pinout视图（引脚配置）
├── 中间：芯片引脚图
├── 右侧：配置面板
└── 底部：消息窗口

系统配置：在引脚配置（Pinout & Configuration）中，选择 "System Core -- SYS" 。
（1）设置调试器类型，将 Debug 模式设为 "Serial Wire"。
（2）设置基础时钟源（Timebase Source），可以选择默认设置 "SysTick"。

时钟配置：在引脚配置（Pinout & Configuration）中，选择 "System Core -- RCC" 配置时钟模式。
设置高速时钟为外部晶振，将 High Speed Clock (HSE) 设为 "Crystal/Ceramic Resonator"。
Low Speed Clock (LSE) 设为 "Disable"（本实验不需要）。

2.3 GPIO 配置

将 LD2（PA5）配置为输出模式：
（1）在芯片引脚图中找到 PA5，将其配置为 "GPIO_Output"。
（2）详细参数配置如下：

bash 复制代码

Pin: PA5
GPIO output level: Low (LED点亮初始状态)
GPIO mode: Output Push Pull
GPIO Pull-up/Pull-down: No pull-up and no pull-down
Maximum output speed: Low (对于LED控制，低速足够)
User Label: "LD2"（便于代码识别）

将用户按键（PC13）配置为外部中断
（1）在芯片引脚图中找到 PC13，将其配置为 "GPIO_EXTI13"。
（2）详细参数配置如下：

bash 复制代码

Pin: PC13
GPIO mode: External Interrupt Mode with Rising edge trigger detection
GPIO Pull-up/Pull-down: No pull-up and no pull-down
User Label: "UserBTN"

2.4 中断配置

使能 EXTI 中断线。
（1）选择 "System Core -- NVIC" 进入 NVIC 配置；
（2）找到"EXTI line[15:10] interrupts"，勾选 "Enabled" 使能中断。
（3）可选地，设置中等优先级：Preemption Priority: 5 。
注意：EXTI10-15共享同一个中断向量。

注：优先级配置策略

中断类型	推荐优先级	理由
SysTick定时器	0（最高）	系统时基，需要最高响应
紧急故障处理	1-2 硬错误、内存管理错误等
高速通信接口	3-4	USB、CAN等需要及时响应
用户按键EXTI	5-7	中等优先级，避免被低优先级中断阻塞
普通外设中断	8-10	UART、I2C等
后台任务	11-15	非实时性任务

2.5 时钟与项目配置

配置系统时钟树
（1）点击顶部 "Clock Configuration" 选项卡，进入时钟树配置。
（2）设置输入频率 Input frequency=24 MHz，SysCLK frequency=160 MHz。

bash 复制代码

Input frequency: 24 MHz (HSE)
SysCLK frequency: 160 MHz (HSE)
System Clock Mux: PLLCLK
AHB Prescaler: 1 (不分频)
APB1 Prescaler: 1
APB2 Prescaler: 1

配置完成后，System Clock 显示为160MHz，HCLK、PCLK1、PCLK2 均为160MHz。

工程管理配置。
（1）点击 "Project Manager"→ "Project"，设置项目名称为 "Project Name: STM32G431_EXTI01"。
（2）点击 "Project Manager"→ "Code Generator"，设置如下。

bash 复制代码

Project:
  - Project Name: STM32G431_EXTI01
  - Toolchain/IDE: STM32CubeIDE

Code Generator:
  √ Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h'
  √ Keep User Code when re-generating
  √ Backup previously generated files

生成代码。
点击右上角"GENERATE CODE"按钮，等待生成初始代码。
生成初始代码完成后，点击"Open Project"直接打开工程代码。

3. CubeIDE 编程与调试

实验目的：实现按键触发外部中断控制LED状态翻转，掌握STM32G4外部中断的基本配置和使用方法。

工作原理：

按键物理动作 → PC13电平变化 → EXTI13中断触发 → 中断服务程序执行 → 调用回调函数 → LED状态翻转

3.1 程序实现

主函数实现
在 main.c 文件添加以下代码：

c 复制代码

/* 实验1: 基础按键中断控制LED翻转 */

int main(void)
{
  /* MCU初始化 */
  HAL_Init();
  
  /* 系统时钟配置 */
  SystemClock_Config();
  
  /* 外设初始化 */
  MX_GPIO_Init();
  MX_NVIC_Init();
  
  /* 复位后LED亮（初始化状态） */
  HAL_GPIO_WritePin(LD2_GPIO_Port, LD2_Pin, GPIO_PIN_SET);
  
  /* 用户提示信息（可通过串口输出） */
  // printf("实验1: 基础按键中断控制\n");
  // printf("复位: LED亮\n");
  // printf("按下用户按键: LED状态翻转\n");
  
  /* 主循环 */
  while (1)
  {
    /* 此处可添加其他后台任务 */
    // HAL_Delay(100);  // 延时 100ms
  }
}

中断回调函数实现
在main.c文件末尾的 /* USER CODE BEGIN 4 */ 和 /* USER CODE END 4 */ 之间添加中断回调函数：

c 复制代码

/* USER CODE BEGIN 4 */

/**
  * @brief  外部中断回调函数
  * @param  GPIO_Pin: 触发中断的引脚号
  * @retval None
  */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  /* 检查是否是用户按键触发的引脚 */
  if (GPIO_Pin == UserBTN_Pin)
  {
    /* 简单的按键消抖处理 */
    static uint32_t last_press_time = 0;
    uint32_t current_time = HAL_GetTick();
    
    /* 消抖时间：50ms */
    if ((current_time - last_press_time) > 50)
    {
      /* LED状态翻转 */
      HAL_GPIO_TogglePin(LD2_GPIO_Port, LD2_Pin);
      
      /* 可选：添加调试信息 */
      // if (HAL_GPIO_ReadPin(LD2_GPIO_Port, LD2_Pin) == GPIO_PIN_SET)
      //     printf("LED状态: 亮\n");
      // else
      //     printf("LED状态: 灭\n");
      
      last_press_time = current_time;
    }
  }
}

/* USER CODE END 4 */

中断服务程序（在stm32g4xx_it.c中查看中断处理函数）

在STM32CubeMX生成的代码框架中，中断服务程序位于Core/Src/stm32g4xx_it.c文件中。这个文件包含了所有中断处理函数的框架。

打开stm32g4xx_it.c文件，找到EXTI15_10的中断处理函数：

c 复制代码

void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN EXTI15_10_IRQn 0 */  
  // 用户可以在这里添加中断进入时的处理代码
  // 例如：记录中断时间、设置标志位等  
  /* USER CODE END EXTI15_10_IRQn 0 */
  
  /* 调用HAL库的中断处理函数 */
  HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(UserBTN_Pin);
}

HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler() 函数执行流程如下：

bash 复制代码

1. EXTI15_10_IRQHandler() 被CPU调用
2. 调用 HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(USER_BUTTON_Pin)
3. HAL库清除中断标志位（重要！避免重复中断）
4. 调用用户自定义的 HAL_GPIO_EXTI_Callback() 函数
5. 返回到主程序

3.2 编译与下载

程序编译。

（1）启动STM32CubeIDE，打开工程后点击菜单栏的"Project" → "Build All"或直接按Ctrl+B进行完整编译。

（2）观察控制台输出中没有错误信息出现。控制台最后显示 "Build Finished" 表明编译成功.在工程Debug目录下将生成STM32G431_EXTI01.elf文件。
程序下载。

（1）使用USB Type-C数据线连接电脑和NUCLEO-G431RB开发板，连接后开发板红色电源指示灯亮起表示供电正常。

（2）在STM32CubeIDE中点击"Run" → "Run" 或按F11开始下载程序，将编译后的程序从开发主机传输到目标MCU。

下载过程中观察控制台输出，最后显示 "Download verified successfully" 表示下载成功。下载完成后程序会自动开始运行。

3.3 运行与测试

复位功能测试

按下开发板上的黑色复位按键（B2），程序复位后自动开始运行。

根据程序设定，复位后LED应该处于点亮状态。如果LED亮起，说明程序初始化正确。
按键响应测试

短按蓝色用户按键（B1），观察LED状态是否翻转。

如果当前LED亮，按下按键后应该熄灭；再次按下，LED应该重新点亮。反复测试几次，确认每次按键都能可靠地触发LED状态翻转。
按键消抖验证

快速连续多次按下用户按键，观察LED的响应。

如果消抖功能正常，LED应该每次只翻转一次状态，不会因为按键抖动而产生多次翻转。

4. 小结

通过本章实验，我们成功掌握了STM32G4外部中断的基本配置方法。实现了按键触发中断控制LED状态翻转的功能，验证了从GPIO配置、中断使能到回调函数处理的完整流程。

外部中断的工作原理是："按键物理动作 → PC13电平变化 → EXTI13中断触发 → 中断服务程序执行 → 调用回调函数 → LED状态翻转"。

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