STM32 中断应用

发布于：2025-02-26 ⋅ 阅读:(17) ⋅ 点赞:(0)

STM32 中断应用

STM32 中断非常强大，每个外设都可以产生中断，异常就是中断，中断就是异常。

1. 异常类型

  F407/F103 在内核水平上搭载了一个异常响应系统，支持众多的系统异常和外部中断。其中系统异常有 10 个，外部中断有 82 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标准库文件 stm32f4xx.h/stm32f1xx.h 这个头文件查询到，在 IRQn_Type 这个结构体里面包含了 F4/F1 系列全部的异常声明。

2. NVIC

  NVIC是嵌套向量中断控制器，控制着整个芯片中断相关的功能，它跟内核紧密耦合，是内核里面的一个外设。但是各个芯片厂商在设计芯片的时候会对 Cortex-M4/M3 内核里面的 NVIC 进行裁剪，把不需要的部分去掉，所以说 `STM32的 NVIC 是 Cortex-M4/M3 的 NVIC 的一个子集。
  在固件库中，NVIC 的结构体定义给每个寄存器都预留了很多位，为的是日后扩展功能。不过 STM32F407 用不了这么多，只是用了部分而已。 具体使用了多少可参考《ARM Cortex™-M4F 技术参考手册》-4.3.11:NVIC 寄存器映射。

// 位于 core_cm4.h 头文件
typedef struct {
    __IO uint32_t  ISER[8]; // 中断使能寄存器
    uint32_t       RESERVED0[24];
    __IO uint32_t  ICER[8]; // 中断清除寄存器
    uint32_t       RSERVED1[24];
    __IO uint32_t  ISPR[8]; // 中断使能悬起寄存器
    uint32_t       RESERVED2[24];
    __IO uint32_t  ICPR[8]; // 中断清除悬起寄存器
    uint32_t       RESERVED3[24];
    __IO uint32_t  IABR[8]; // 中断有效位寄存器
    uint32_t       RESERVED4[56];
    __IO uint8_t   IP[240]; // 中断优先级寄存器 (8Bit wide)
    uint32_t       RESERVED5[644];
    __O uint32_t   STIR; // 软件触发中断寄存器
} NVIC_Type;

在配置中断的时候我们一般只用ISER、ICER和IP这三个寄存器，

  • ISER 用来使能中断，
  • ICER 用来失能中断，
  • IP 用来设置中断优先级。

2.1 中断优先级

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（在 F407 中，x=0…981）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 CM4 芯片都会精简设计，以致实际上支持的优先级数减少，在F407 中，只使用了高 4bit。
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。

在这里插入图片描述

 
优先级分组:
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，F407 分为了 5 组，具体如下：
主优先级 = 抢占优先级
在这里插入图片描述
示例：
设置优先级分组可调用库函数NVIC_PriorityGroupConfig()实现，有关 NVIC 中断相关的库函数都在库文件 misc.c 和 misc.h 中。

/**
* 配置中断优先级分组：抢占优先级和子优先级
* 形参如下：
* @arg NVIC_PriorityGroup_0:   0 bit for 抢占优先级  4 bits for 子优先级
* @arg NVIC_PriorityGroup_1:   1 bit for 抢占优先级  3 bits for 子优先级
* @arg NVIC_PriorityGroup_2:   2 bit for 抢占优先级  2 bits for 子优先级
* @arg NVIC_PriorityGroup_3:   3 bit for 抢占优先级  1 bits for 子优先级
* @arg NVIC_PriorityGroup_4:   4 bit for 抢占优先级  0 bits for 子优先级
* @ 注意 如果优先级分组为 0，则抢占优先级就不存在，优先级就全部由子优先级控制
*/
void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup)
{
  SCB->AIRCR = AIRCR_VECTKEY_MASK | NVIC_PriorityGroup;  // 设置优先级分组
}

2.2 中断编程

  1. 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。
  2. 初始化 NVIC_InitTypeDef 结构体（配置中断优先级分组，设置抢占优先级和子优先级，使能中断请求）。
    在这里插入图片描述
  3. 编写中断服务函数，在启动文件 startup_stm32f40xx.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，中断服务函数我们统一写在 stm32f4xx_it.c这个库文件中。

 
有关 NVIC 初始化结构体的成员的解释:

  1. NVIC_IROChannel：用来设置中断源，不同的中断中断源不一样，且不可写错，即使写错了程序不会报错，只会导致不响应中断。具体的成员配置可参考 stm32f4xx.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。
    在这里插入图片描述
  2. NVIC_IRQChannelPreemptionPriority：抢占优先级，具体的值要根据优先级分组来确定。
  3. NVIC_IRQChannelSubPriority：子优先级，具体的值要根据优先级分组来确定。
  4. NVIC_IRQChannelCmd：中断使能（ENABLE）或者失能（DISABLE）。操作的是NVIC_ISER 和 NVIC_ICER 这两个寄存器。

2.3 外部中断/事件控制器

外部中断/事件控制器管理了控制器的23 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。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。
在这里插入图片描述
由上图可以看到很多在信号线上打一个斜杠并标注“23”字样，这个表示在控制器内部类似的信号线路有 23 个，这与 EXTI 总共有 23 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 22 个线路原理也就知道了。
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。

 
产生中断: 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，是软件级的。

  1. ① 是输入线，EXTI 控制器有 23 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。输入线一般是存在电平变化的信号。
  2. 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 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。
  3. ③电路实际就是一个或门电路，它的一个输入来自 ②电路，另外一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 ④ 和 ⑥电路。
  4. ④电路是一个与门电路，它的一个输入来自 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，导致的结果如果 EXTI_IMR设置为 0 时，那不管 ③电路的输出信号是 1 还是 0，最终 ④电路输出的信号都为 0；如果EXTI_IMR设置为 1 时，最终 ④电路输出的信号才由 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。 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 ④电路输出为 1 就会把EXTI_PR对应位置 1。
  5. 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。

 
产生事件: 目的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，是硬件级的。

  1. ①~③同上，这三个电路都是共用的。
  2. ⑥电路是一个与门，它的一个输入来自 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 ③电路的输出信号是 1 还是 0，最终 ⑥电路输出的信号都为 0；如果EXTI_EMR设置为 1 时，最终 ⑥电路输出的信号才由 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。
  3. ⑦是一个脉冲发生器电路，当它的输入端，即 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。
  4. 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。

 
注意: EXTI 是在 APB2 总线上的，在编程时候需要注意到这点。

在这里插入图片描述
  EXTI0 ~ 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。由上表可知，EXTI0 可以通过 SYSCFG 外部中断配置寄存器1(SYSCFG_EXTICR1) 的EXTI0[3:0]位选择配置为 PA0、PB0、PC0、PD0、PE0、PF0、PG0、PH0 或者 PI0 。其他 EXTI 线 (EXTI 中断/事件线) 使用配置都是类似的。

typedef struct {
      uint32_t             EXTI_Line;    // 中断/事件线
      EXTIMode_TypeDef     EXTI_Mode;    // EXTI 模式
      EXTITrigger_TypeDef  EXTI_Trigger; // 触发事件
      FunctionalState      EXTI_LineCmd; // EXTI 控制
} EXTI_InitTypeDef;
  1. EXTI_Line：EXTI 中断/事件线选择，可选 EXTI0 至 EXTI22，可参考上表。
  2. EXTI_Mode：EXTI 模式选择，可选为产生中断 (EXTI_Mode_Interrupt) 或产生事件(EXTI_Mode_Event)。
  3. EXTI_Trigger：EXTI 边沿触发事件，可选上升沿触发 (EXTI_Trigger_Rising)、下降沿触发 (EXTI_Trigger_Falling) 或者上升沿和下降沿都触发 ( EXTI_Trigger_Rising_Falling)。
  4. EXTI_LineCmd：控制是否使能 EXTI 线，可选使能 EXTI 线 (ENABLE) 或禁用 (DISABLE)。

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