STM32嵌套向量中断控制器(NVIC)及外部中断使用案例分析-EW帮帮网

STM32嵌套向量中断控制器及外部中断使用案例分析

前言
什么是中断
中断和异常
芯片上电之后从哪里开始执行？
NVIC详解
STM32F4外部中断原理及使用案例
参考文献

前言

本文并不是简单介绍一下外部中断的使用和NVIC浅层的内容，而是从内核角度，深入剖析中断的内涵，中断向量表和MVIC内部机理，最后以外部中断使用案例结束。相信会给你带来惊喜。
对于嵌套向量中断控制器，也就是Nested vectored interrupt controller，缩写为NVIC，在所有的ARM Cortex-M3和Cortex-M4系列的所有芯片都适用，因为NVIC是内核层面的东西，不是一个外设，所以凡是这个内核的芯片，都有NVIC。于是本文虽从STM32F4入手讲解和使用案例分析，但对于其他芯片同样适用。本文具体参考的文档《The definitive guide to Arm Cortex-M3 and Cortex-M4 processors》。

什么是中断

比如你在CSDN上写文章，忽然微信提示有消息，你停下来手上的事，保存一下你写的内容，简单记录一下你接下来的写作思路。之后去看一下手机，看到有人发微信问你：“马老师，发生甚么事了？”接下来他发来几张截图，你一看，哦，原来是昨天，有两个年轻人，一个体重80公斤，一个……最后你聊完微信，放下手机，回到电脑前，咦，忘记了当时想接下来写甚么了……还好你当时写了一下写作思路！看到了之前的写作思路，一下子豁然开朗，继续写作。
在上面的案例中，在写作中，忽然微信提示有消息，这就是中断触发了，在中断里面相当于中断标志位置位了。你可以选择漠视它,继续写作，这个操作在中断里相当于中断使能位没有置位，所以即便中断标志位置位了，也不会去响应中断；也可以选择停下来手上的工作，去看一下微信消息。当然看之前也要保存好现场，将接下来想的写作思路记录一下，这一步相当于中断里的压栈Push或者说保存现场。等处理完微信的消息回来也知道写到哪里了，接下来应该怎么写。是吧？不过如果你非要说，我就不记录。那其实不是好习惯，对不对？当你处理完微信，回来继续写作，看到之前记录的内容，相当于出栈Pop，看到之后，你就知道接下来改怎么写了，也就是PC寄存器有了下一个指令的地址，就可以接着正确执行代码。

中断和异常

我们所说的Arm Cortex-M3和Cortex-M4都基于ARMv7-M架构。在此架构中，中断是异常的子集，也就是说中断是异常的一种类型。中断是外设或者内部输入产生，在某些情形下，是可以由软件触发的。对于处理中断的函数也称为“中断服务例程”，Interrupt Service Routines，简称ISR。
异常都是被NVIC处理的，NVIC处理大量的中断请求和不可屏蔽中断NMI请求。对于中断请求，可以是外设产生的，比如说定时器，又比如某一个GPIO引脚，也可以由看门狗或者电压监视模块PVＤ。其中滴答定时器SysTick的中断尤其常用于嵌入式操作系统中。处理器自身也会产生异常事件，比如Hard fault等，具体请参见下图。每一个异常都有异常编号。异常编号在1-15的是系统异常，异常编号为16及大于16的是中断。内核最多支持240个中断，具体芯片设计商采用了多少个是自己定的。比如STM32F4使用了82个可屏蔽中断。
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如上图所见，每个异常都有优先级，数值越小，优先级越高。比如优先级最高的是Reset复位异常，它的优先级是-3。再往下，数值在增加，优先级在降低。

芯片上电之后从哪里开始执行？

复位中断函数！最高优先级的中断就是Reset。
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回到上面的图，Reset复位中断的入口地址是0x0000 0004，那么芯片上电之后就从这里开始执行！
下图是启动文件的一部分，是汇编语言写的，这里就是复位中断处理函数体。
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简单解释一下哈！
LDR R0, = SystemInit
这句话是说，把SystemInit函数的地址存在R0寄存器。
BLX R0
跳转到R0寄存器里面存储的地址去执行。
两句代码放在一起就是执行函数SystemInit函数。
那么接下来两句话也一样，执行了__main函数。不过请注意，这个函数不是我们的main函数。在这个__mian函数中会依次调用__scatterload()和__rt_entry()。__scatterload()负责数据段复制与ZI段初始化，而__rt_entry()初始化堆栈并进入main()。

NVIC详解

首先，要明确一点，Cortex-M内核完全把中断和异常的事儿交给NVIC来管理了，所以我们从NVIC入手就可以明白内核里面的中断处理机制。
嵌套向量中断控制器，也就是Nested vectored interrupt controller，缩写为NVIC。它是可编程的，而且它的寄存器在System Control Space(SCS)。下图是其具体位置。
在这里插入图片描述

下面是中断向量表重定位寄存器，常用在想要在从Bootloader进入APP之后，重新定位中断向量表的位置的情景中。

下面这个寄存器包括了中断优先级分组的字段PRIGROUP。比如STM32常使用的就有5种分组，即NVIC_Priority_Group_0、NVIC_Priority_Group_1、NVIC_Priority_Group_2、NVIC_Priority_Group_3、NVIC_Priority_Group_4。
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上图取自《STM32F3 and STM32F4 Series Cortex®-M4 programming manual》

中断优先级分组

下面是STM32在中断优先级分组的函数中具体的操作，跟手册的描述对应一下，方便理解。通常此函数在初始化阶段调用一次，往后就不再修改优先级分组了。

 /* Set Interrupt Group Priority */
  HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4);

void HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup)
{
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_NVIC_PRIORITY_GROUP(PriorityGroup));
  
  /* Set the PRIGROUP[10:8] bits according to the PriorityGroup parameter value */
  NVIC_SetPriorityGrouping(PriorityGroup);
}

  #define NVIC_SetPriorityGrouping    __NVIC_SetPriorityGrouping

__STATIC_INLINE void __NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup)
{
  uint32_t reg_value;
  uint32_t PriorityGroupTmp = (PriorityGroup & (uint32_t)0x07UL);             /* only values 0..7 are used          */

  reg_value  =  SCB->AIRCR;                                                   /* read old register configuration    */
  reg_value &= ~((uint32_t)(SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk | SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk)); /* clear bits to change               */
  reg_value  =  (reg_value                                   |
                ((uint32_t)0x5FAUL << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) |
                (PriorityGroupTmp << SCB_AIRCR_PRIGROUP_Pos)  );              /* Insert write key and priority group */
  SCB->AIRCR =  reg_value;
}

对比上面手册的截图和代码的实现，是不是理解加深了很多？

中断优先级的设置

对于一个中断，可以设置的优先级范围是由中断优先级分组决定的。但具体某一个中断设置优先级为多少，又是怎么操作的？
在中断优先级中，一共有4BIT的位可以供给抢占优先级和子优先级。如果给抢占优先级的位多了，那么给子优先级的位自然就少了。
代码中，设置优先级的函数如下：

void HAL_NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t PreemptPriority, uint32_t SubPriority)
{ 
  uint32_t prioritygroup = 0x00U;
  
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_NVIC_SUB_PRIORITY(SubPriority));
  assert_param(IS_NVIC_PREEMPTION_PRIORITY(PreemptPriority));
  
  prioritygroup = NVIC_GetPriorityGrouping();
  
  NVIC_SetPriority(IRQn, NVIC_EncodePriority(prioritygroup, PreemptPriority, SubPriority));
}

下面的函数在获取中断优先级分组。

  #define NVIC_GetPriorityGrouping    __NVIC_GetPriorityGrouping

__STATIC_INLINE uint32_t __NVIC_GetPriorityGrouping(void)
{
  return ((uint32_t)((SCB->AIRCR & SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk) >> SCB_AIRCR_PRIGROUP_Pos));
}

下面是设置中断优先级的函数。

  #define NVIC_SetPriority            __NVIC_SetPriority

__STATIC_INLINE void __NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority)
{
  if ((int32_t)(IRQn) >= 0)
  {
    NVIC->IP[((uint32_t)IRQn)]               = (uint8_t)((priority << (8U - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);
  }
  else
  {
    SCB->SHP[(((uint32_t)IRQn) & 0xFUL)-4UL] = (uint8_t)((priority << (8U - __NVIC_PRIO_BITS)) & (uint32_t)0xFFUL);
  }
}

#define __NVIC_PRIO_BITS          4U       /*!< STM32F4XX uses 4 Bits for the Priority Levels */

在这里插入图片描述
如上，看到操作的具体寄存器是SCB->SHP[0]到SCB->SHP[11]，是一个寄存器组。查看代码，可以加深理解。

配置示例

每一种分组都会决定了抢占优先级有几个等级可以选，子优先级有几个等级可以选。打比方说，这里设置成NVIC_Priority_Group_4，那么抢占优先级可以选0-15，共16个优先级，但没有子优先级。再比如，如果选择NVIC_Priority_Group_2，那么抢占优先级可以选0-3，子优先级也可以选择0-3。

下面以STM32CubeIDE中的配置界面来加深大家的理解。
在这里插入图片描述
如上图，可以选择的5种优先级分组。当前我选择了NVIC_Priority_Group_2。

中断向量表

当一个异常发生的时候，对应的handler就要被执行，那么这个handler入口地址在哪里呢？Cortex-M内核使用了向量表的机制。通过将各个中断函数的入口地址写在一张表里，来快速找到并调用中断处理函数，这样就减少了中断的响应时间。
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上图是STM32F405xx/07xx和STM32F415xx/17xx芯片的中断向量表。
这里的位置0以后的就是各种外设的中断。比如位置0是窗口看门狗的中断，入口地址在0x0000 0040。也就是说，如果窗口看门狗触发中断了，也中断使能了，那么这个时候，从哪里执行中断处理函数？0x0000 0040这个地址有中断处理函数的地址。当执行到这里的时候，会跳转到对应的函数中处理。
中断向量表的位置是可以由我们人为修改的，但上电之后默认就是上图的地址，也就是从地址0开始。每个中断都有相对于起始地址的偏移量。我们可以将这张表放在别的位置，官方说法叫relocate。用户可以在程序运行之后，修改中断向量表的位置。这个做法在Bootloader和APP的跳转中比较常用。

栈内存操作

在跳转到中断处理函数中执行前后，内核自动完成压栈和出栈操作，是不是很方便？我们不需要关心有没有保存现场，也不用担心在中断函数执行完成之后，找不到下一条执行的语句，或者影响了程序的正常执行。

STM32F4外部中断原理及使用案例

外部中断原理

外部中断/事件控制器包含23个用于产生事件或者中断的边沿检测器，用户可以配置成上升沿触发、下降沿触发、上升沿和下降沿都触发。
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*上图引自《STM32F4中文参考手册》
关于这张图片，我们可以简单分析一下。最右边是外部中断/事件的输入引脚，从右边进来，是边沿检测器，我们可以配置寄存器来决定触发方法。

之后就到了逻辑或门，或门另一边是软件中断事件寄存器。也就是说，即便外部引脚没有输入触发信号，单单从这个寄存器也可以为接下来的电路带来触发信号。这就为软件触发外部中断提供了方便。
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之后就兵分两路，一路向上，直奔“中断”而去；另一路向下，直奔“事件”而去。

中断

先说上面，进入逻辑与门，而与门的另一个输入是中断屏蔽寄存器。也即是说，如果中断被屏蔽了，那么中断信号就到此为止了，不会继续往下走了。要想使用外部中断，这里需要置位。
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之后就到了挂起请求寄存器。将中断信号存储在中断标志位里。

当挂起寄存器的相应位等于1之后，就向NVIC中断控制器提交中断。

事件

再来说下面，连接着逻辑与门，与门的另一个输入是事件屏蔽寄存器。
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如果将事件屏蔽了，那么就不会触发事件。如果这个寄存器相应的位等于1，那么就可以生成一个事件，传递到脉冲发生器，产生脉冲，进一步触发事件。

外部中断/事件线映射

上面说外部中断/事件有23根线，其中0-15就是GPIO外部中断的，比如说，”所有的0“都共用EXIT0。
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另外七根 EXTI 线连接方式如下：

EXTI 线 16 连接到 PVD 输出
EXTI 线 17 连接到 RTC 闹钟事件
EXTI 线 18 连接到 USB OTG FS 唤醒事件
EXTI 线 19 连接到以太网唤醒事件
EXTI 线 20 连接到 USB OTG HS（在 FS 中配置）唤醒事
EXTI 线 21 连接到 RTC 入侵和时间戳事件
EXTI 线 22 连接到 RTC 唤醒事件

配置外部中断

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在STM32CudeIDE界面上，芯片某引脚左键，选择GPIO_EXITx（这里的x是引脚的编号，比如PE2，就是GPIO_EXIT2）
之后，可以右击这个引脚，修改一下label，修改了可以方便我们使用。不过不修改也无所谓。

之后就进入NVIC设置中断优先级分组和中断优先级。
在这里插入图片描述

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最后，点击GPIO，选择刚才设置的PE2，设置使用哪种边沿触发。

我的开发板将PE2连接到按键，而且是按下去是低电平。所以我选择下降沿触发，一按下去就触发。

配置到此结束。

代码编写

外部中断都共用这一个函数：HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  if(GPIO_PIN_4 == GPIO_Pin)
  {
	  HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
  }
  else if(GPIO_PIN_3 == GPIO_Pin)
  {
	  HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin);
	  HAL_GPIO_WritePin(BEEP_GPIO_Port, BEEP_Pin, GPIO_PIN_RESET);
  }
  else if(GPIO_PIN_2 == GPIO_Pin)
  {
	  HAL_GPIO_TogglePin(LED0_GPIO_Port, LED0_Pin);
	  HAL_GPIO_TogglePin(LED1_GPIO_Port, LED1_Pin);
	  HAL_GPIO_WritePin(BEEP_GPIO_Port, BEEP_Pin, GPIO_PIN_SET);
  }
  else
  {
	  /*do nothing*/
  }
}

在这个函数需要判断中断是来自哪个引脚的，之后做相应的处理逻辑。这样，就可以在外部引脚上产生中断，实现我们希望执行的功能。

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参考文献

《STM32F3 and STM32F4 Series Cortex®-M4 programming manual》
《Cortex M3与M4权威指南》

STM32嵌套向量中断控制器(NVIC)及外部中断使用案例分析