STM32基礎知識：中斷系統
中斷系統
1 數據傳輸方式
- 無條件傳輸 ：處理器不必了解外部設備狀態，直接進行數據傳輸，用于指示燈和按鍵等簡單設備.。
- 查詢方式 ：傳輸前，一方先查詢另一方的狀態，若已經準備好就傳輸，否則就繼續查詢。
- 中斷方式 ：一方通過申請中斷的方式與另一方進行數據傳輸，收發雙方可以并行工作。
- 直接存儲器訪問 ：處理器內部建立片內外設和內存之間的數據傳輸通道，傳輸過程不需要處理器參與。
2 中斷系統的基本概念
2.1 中斷全過程
- 中斷發生： 當CPU在處理某一事件A時，發生了另一事件B，請求CPU迅速去處理。
- 中斷處理： CPU暫停當前的工作，轉去處理事件B。
- 中斷返回： 當CPU將事件B處理完畢后，再回到事件A中被暫停的地方繼續處理事件A。
2.2 中斷的作用
- 速度匹配： 可以解決快速的CPU與慢速的外部設備之間傳送數據的矛盾。
- 分時操作： CPU可以分時為多個外部設備服務，提高計算機的利用率。
- 實時響應： CPU能夠及時處理應用系統的隨機事件，增強系統的實時性。
- 可靠性高： CPU可以處理設備故障及掉電等突發事件，提高系統可靠性。
2.3 中斷優先級
處理器根據不同中斷的重要程序設置不同的優先等級。
不同優先級中斷的處理原則是： 高級中斷可以打斷低級中斷；低級中斷不能打斷高級中斷 。
2.4 中斷向量
- 中斷服務程序： 在響應一個特定中斷的時候，處理器會執行一個函數，該函數一般稱為中斷處理程序或者中斷服務程序。
- 中斷向量： 中斷服務程序在內存中的入口地址稱為中斷向量。
- 中斷向量表： 把系統中所有的中斷向量集中起來放到存儲器的某一區。
- 查找中斷向量：
- 編號：計算機系統對每一個中斷源進行編號，這個號碼稱為中斷類型號。
- 查表：根據中斷類型號，到中斷向量表中找到對應的表項。
- 執行：取出表項內容，即該中斷源對應的中斷服務程序地址，進入該程序執行相應操作。
2.5 中斷響應過程
- 中斷源發出中斷請求。
- 判斷處理器是否允許中斷，以及該中斷源是否被屏蔽。
- 中斷優先級排隊。
- 處理器暫停當前程序，保護斷點地址和處理器的當前狀態，根據中斷類型號，查找中斷向量表，轉到對應的中斷服務程序。
- 執行中斷服務程序。
- 恢復被保護的狀態，執行中斷返回指令，回到被中斷的程序。
3 STM32微控制器中斷系統
3.1 基本概念
- 中斷： 中斷是由內核外部產生的，一般由硬件引起，比如外設中斷和外部中斷等。
- 異常： 異常通常是內核自身產生的，大多是軟件引起的，比如除法出錯異常、預取值失敗等。
3.2 NVIC嵌套向量中斷控制器
NVIC屬于Cortex-M內核的組件，管理所有的中斷和異常，為中斷源分配中斷通道
中斷向量表
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD NMI_Handler ; NMI Handler
DCD HardFault_Handler ; Hard Fault Handler
DCD MemManage_Handler ; MPU Fault Handler
DCD BusFault_Handler ; Bus Fault Handler
DCD UsageFault_Handler ; Usage Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD SVC_Handler ; SVCall Handler
DCD DebugMon_Handler ; Debug Monitor Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD PendSV_Handler ; PendSV Handler
DCD SysTick_Handler ; SysTick Handler
; External Interrupts
DCD WWDG_IRQHandler ; Window Watchdog
DCD PVD_IRQHandler ; PVD through EXTI Line detect
DCD TAMPER_IRQHandler ; Tamper
DCD RTC_IRQHandler ; RTC
DCD FLASH_IRQHandler ; Flash
DCD RCC_IRQHandler ; RCC
DCD EXTI0_IRQHandler ; EXTI Line 0
DCD EXTI1_IRQHandler ; EXTI Line 1
DCD EXTI2_IRQHandler ; EXTI Line 2
DCD EXTI3_IRQHandler ; EXTI Line 3
DCD EXTI4_IRQHandler ; EXTI Line 4
DCD DMA1_Channel1_IRQHandler ; DMA1 Channel 1
DCD DMA1_Channel2_IRQHandler ; DMA1 Channel 2
DCD DMA1_Channel3_IRQHandler ; DMA1 Channel 3
DCD DMA1_Channel4_IRQHandler ; DMA1 Channel 4
DCD DMA1_Channel5_IRQHandler ; DMA1 Channel 5
DCD DMA1_Channel6_IRQHandler ; DMA1 Channel 6
DCD DMA1_Channel7_IRQHandler ; DMA1 Channel 7
DCD ADC1_2_IRQHandler ; ADC1_2
DCD USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler ; USB High Priority or CAN1 TX
DCD USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler ; USB Low Priority or CAN1 RX0
DCD CAN1_RX1_IRQHandler ; CAN1 RX1
DCD CAN1_SCE_IRQHandler ; CAN1 SCE
DCD EXTI9_5_IRQHandler ; EXTI Line 9..5
DCD TIM1_BRK_IRQHandler ; TIM1 Break
DCD TIM1_UP_IRQHandler ; TIM1 Update
DCD TIM1_TRG_COM_IRQHandler ; TIM1 Trigger and Commutation
DCD TIM1_CC_IRQHandler ; TIM1 Capture Compare
DCD TIM2_IRQHandler ; TIM2
DCD TIM3_IRQHandler ; TIM3
DCD TIM4_IRQHandler ; TIM4
DCD I2C1_EV_IRQHandler ; I2C1 Event
DCD I2C1_ER_IRQHandler ; I2C1 Error
DCD I2C2_EV_IRQHandler ; I2C2 Event
DCD I2C2_ER_IRQHandler ; I2C2 Error
DCD SPI1_IRQHandler ; SPI1
DCD SPI2_IRQHandler ; SPI2
DCD USART1_IRQHandler ; USART1
DCD USART2_IRQHandler ; USART2
DCD USART3_IRQHandler ; USART3
DCD EXTI15_10_IRQHandler ; EXTI Line 15..10
DCD RTC_Alarm_IRQHandler ; RTC Alarm through EXTI Line
DCD USBWakeUp_IRQHandler ; USB Wakeup from suspend
__Vectors_End
3.3 中斷通道
微控制器片內集成了很多外設，對于單個外設而言，它通常具備若干個可以引起中斷的中斷源，而該外設的所有中斷源只能通過指定的中斷通道向內核申請中斷。
以STM32F103芯片為例，它支持43個可屏蔽中斷通道（不包括16個Cortex-M3的中斷線），已經固定分配給相應的片內外設。由于中斷源數量較多，而中斷通道有限，會出現多個中斷源共享同一個中斷通道的情況。
3.4 中斷優先級
- NVIC中有一個8位中斷優先級寄存器NVIC_IPR，理論上可以配置0~255共256級中斷。
- STM32只使用了其中的高4位，并分成搶占優先級和子優先級兩組。
中斷嵌套：
多個中斷同時提出中斷申請時
- 先比較搶占優先級，搶占優先級高的中斷先執行。
- 如果搶占優先級相同，則比較子優先級。
- 二者都相同時，比較中斷編號。編號越小，優先級越高。中斷編號位于芯片頭文件中。
STM32中斷優先級分組
HAL庫初始化函數HAL_Init將優先級分組設置為第4組，即有0～15，共16級搶占優先級，沒有子優先級。編號越小的優先級越高：0號為最高，15號為最低。
3.5 EXIT外部中斷控制器
GPIO引腳的外部中斷
觸發方式：
- 上升沿觸發
- 下降沿觸發
- 雙邊沿觸發
引腳分組：
- 尾號相同的引腳一組，接入1個外部中斷線。
- 同組引腳只能有一個設置為外部中斷功能。
中斷通道：
- EXTI0~EXIT4分別具有獨立的中斷通道
- EXTI5~EXIT9共享同一個中斷通道
- EXTI5~EXIT9共享同一個中斷通道
4 HAL庫中斷處理流程
4.1 編程步驟
在STM32CubeMX中完成
- 設置中斷觸發條件
- 設置中斷優先等級
- 設能外設中斷
HAL庫的接口函數完成
- 清除中斷標志
- 編寫中斷服務程序
4.2 HAL庫對中斷的封裝處理
- 統一規定處理各個外設的中斷服務程序
HAL_PPP_IRQHandler。 - 在中斷服務程序
HAL_PPP_IRQHandler完成了中斷標志的判斷和清除。 - 將中斷中需要執行的操作以回調函數的形式提供給用戶。
啟動文件startup_stm32fxxx.s
- 該文件存放在MDK-ARM組中。在該文件中，預先為每個中斷編寫了一個中斷服務程序，只是這些中斷服務程序都是死循環，目的只是 初始化中斷向量表 ；
- 中斷服務程序的屬性定義為“
weak”。weak屬性的函數表示：如果該函數沒有在其他文件中定義，則使用該函數；如果用戶在其他地方定義了該函數，則使用用戶定義的函數。
中斷服務程序文件：stm32fxxx_it.c
該文件存放在User組中，用于 存放各個中斷的中斷服務程序 ；
在使用CubeMX軟件進行初始化配置時，如果使能了某一個外設的中斷功能，那么在生成代碼時，相對應的外設中斷服務程序
HAL_PPP_IRQHandler就會自動添加到該文件中，用戶只需要在該函數中添加相應的中斷處理代碼即可。
外部中斷所對應的中斷服務程序外部中斷線 中斷服務程序的函數名稱 外部中斷線0(EXTI Line 0) EXTI0_IRQHandler 外部中斷線1(EXTI Line 1) EXTI1_IRQHandler 外部中斷線2(EXTI Line 2) EXTI2_IRQHandler 外部中斷線3(EXTI Line 3) EXTI3_IRQHandler 外部中斷線4(EXTI Line 4) EXTI4_IRQHandler 外部中斷線5~9(EXTI Line[9:5]) EXTI9_5_IRQHandler 外部中斷線10~15(EXTI Line[15:10]) EXTI15_10_IRQHandler 例如
/** * @brief This function handles EXTI line0 interrupt. */ void EXTI0_IRQHandler(void) { /* USER CODE BEGIN EXTI0_IRQn 0 */ /* USER CODE END EXTI0_IRQn 0 */ HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0); /* USER CODE BEGIN EXTI0_IRQn 1 */ /* USER CODE END EXTI0_IRQn 1 */ }
4.3 外部中斷處理流程
假設微控制器芯片為STM32F103，設置引腳PA0為外部中斷功能。當引腳PA0出現脈沖邊沿時，將觸發外部中斷。
由于外部中斷主要是利用GPIO引腳實現，因此外部中斷數據類型的定義放在stm32f1xx_hal_gpio.h文件中，外部中斷接口函數的實現放在stm32f1xx_hal_gpio.c文件中。
引腳初始化
成員變量Mode的取值范圍GPIO_MODE_IT_RISING上升沿觸發GPIO_MODE_IT_FALLING下降沿觸發GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING雙邊沿觸發
外部中斷通用處理函數
HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler/** * @brief This function handles EXTI interrupt request. * @param GPIO_Pin: Specifies the pins connected EXTI line * @retval None */ void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin) { /* EXTI line interrupt detected */ if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_Pin) != 0x00u) { __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_Pin); HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin); } }函數原型 void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin) 功能描述 作為所有外部中斷發生后的通用處理函數 入口參數 GPIO_Pin：連接到對應外部中斷線的引腳，范圍是 GPIO_PIN_0～GPIO_PIN_15 返回值 無 注意事項 1. 所有外部中斷服務程序均調用該函數完成中斷處理2. 函數內部根據GPIO_Pin的取值判斷中斷源，并清除對應外部中斷線的中斷標志3. 函數內部調用外部中斷回調函數HAL_GPIO_EXTI_Callback完成實際的處理任務4. 該函數由CubeMX自動生成 外部中斷回調函數
HAL_GPIO_EXTI_Callback/** * @brief EXTI line detection callbacks. * @param GPIO_Pin: Specifies the pins connected EXTI line * @retval None */ __weak void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) { /* Prevent unused argument(s) compilation warning */ UNUSED(GPIO_Pin); /* NOTE: This function Should not be modified, when the callback is needed, the HAL_GPIO_EXTI_Callback could be implemented in the user file */ }函數原型 void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) 功能描述 外部中斷回調函數，用于處理具體的中斷任務 入口參數 GPIO_Pin：連接到對應外部中斷線的引腳，范圍是 GPIO_PIN_0～GPIO_PIN_15 返回值 無 注意事項 1. 該函數由外部中斷通用處理函數HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler調用，完成所有外部中斷的任務處理2. 函數內部先根據GPIO_Pin的取值來判斷中斷源，然后執行對應的中斷任務3. 該函數由用戶根據實際需求編寫
任務實踐
基于STM32F103C8T6，開發板原理圖
利用按鍵KEY1改變指示燈LED1的閃爍頻率，閃爍頻率設置為3檔：
- 初始狀態時，LED1按照1Hz的頻率閃爍；
- 第一次按鍵后，LED1按照5Hz的頻率閃爍；
- 第二次按鍵后，LED1按照20Hz的頻率閃爍，并重復上述過程。
注：本任務例程使用的開發板，LED1與STM32的PA1相連接，KEY1與PA0相連接。KEY1原理圖如下：
使用按鍵時，需要設置PA0為輸入上拉模式，這樣在KEY1沒有按下時，PA0可以讀取到高電平，KEY1按下時PA0可以讀取到低電平。
- 配置PA0為GPIO_EXIT0，PA1為GPIO_Output
- PA1保持默認GPIO輸出模式即可
- PA0配置為下降沿觸發，上拉模式
- 使能外部中斷線
- 配置中斷優先級分組為第四組16級搶占優先級，沒有子優先級
以上步驟生成如下代碼:
stm32f1xx_hal_gpio.c中生成GPIO引腳配置代碼，并在main.c中調用void MX_GPIO_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0}; /* GPIO Ports Clock Enable */ __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); /*Configure GPIO pin Output Level */ HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_RESET); /*Configure GPIO pin : PA0 */ GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); /*Configure GPIO pin : PA1 */ GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1; GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct); /* EXTI interrupt init*/ HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0, 0); HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn); }- 開啟外設時鐘RCC
- 配置PA0，PA1兩個引腳結構體
- 設置EXTI0中斷優先級為0，并使能這個中斷
stm32fxxx_it.c中生成外設中斷服務程序/** * @brief This function handles EXTI line0 interrupt. */ void EXTI0_IRQHandler(void) { /* USER CODE BEGIN EXTI0_IRQn 0 */ /* USER CODE END EXTI0_IRQn 0 */ HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_0); /* USER CODE BEGIN EXTI0_IRQn 1 */ /* USER CODE END EXTI0_IRQn 1 */ }
編寫程序
在main.c中定義指示燈閃爍頻率，0代表1Hz，1代表5Hz，2代表20Hz/* Private variables ---------------------------------------------------------*/ /* USER CODE BEGIN PV */ volatile uint8_t Speed = 0; /* USER CODE END PV */在
main.c中編寫應用代碼/* USER CODE BEGIN 3 */ if (Speed == 0) { HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_1); HAL_Delay(1000); } else if (Speed == 1) { HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_1); HAL_Delay(200); } else { HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_1); HAL_Delay(50); } } /* USER CODE END 3 */在
main.c中外部中斷回調函數HAL_GPIO_EXTI_Callback/* USER CODE BEGIN 4 */ void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) { if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) { Speed++; if (Speed == 3) { Speed = 0; } } } /* USER CODE END 4 */
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