STM32HAL库-中断篇

中断

中断简介

中断是一种事件处理机制,可以暂停主程序的运行,转而处理特定事件程序。

中断的作用和意义:

实时控制  在确定事件内对响应事件做出相应

故障处理  检测到故障需要第一时间处理

数据传输  如串口通信,不确定数据何时会来

意义:高效处理紧急程序,不会一直占用cpu资源

GPIO外部中断简图

信号从外部进来,首先遇到的外设是GPIO

然后会走到SYSCFG系统配置控制器,将GPIOXy映射到EXTIy

SYSCFG系统配置控制器是一种常见外设,其作用是配置系统的各种控制和配置寄存器,用于管理系统的各种配置参数和功能。

接着信号进入到EXTI来判断是否触发响应

触发EXTI响应后会进入NVIC判断响应优先级

最后优先级高的先进入CPU去处理中断

NVIC

NVIC基本概念

Nested vectored interrupt controlelr,嵌套向量中断控制器,属于内核的一部分(M3/4/7)

NVIC支持256个中断(16个内核+240外部),支持256个优先级,允许裁剪

中断向量表

中断向量表是一块固定的内存,4字节对齐,存放各个中断对应的中断服务函数首地址

中断向量表定义在启动文件,也就是.s文件里,当发生中断,CPU会自动执行对应的中断服务函数

 .s文件中__Vectors标注的代码块就是中断向量表开始的地方

DCD表示4字节对齐

NVIC相关寄存器介绍

中断使能寄存器                          ISER,Interrupt Set-Enable Register

中断除能寄存器                          ICER,Interrupt Clean-Enable Register

应用程序中断及复位控制寄存器 AIRCR,Application Interrupt and Reset Controller Register

中断优先级寄存器                       IPR,Interrupt Priority Register

 NVIC还有中断挂起、解挂、激活标志等不常用的功能,此处不做介绍

NVIC工作原理

经过EXTI判断后触发响应的外部中断会来到中断使能寄存器(ISER)中断失能寄存器(ICER),

再走到中断优先级寄存器(IPR),经过优先级判断后交由CPU处理

内核中断直接到达SHPR

SHPR,System Handler Priority Registers 系统处理器优先级寄存器

STM32中断优先级基本概念

1、抢占优先级(pre):高抢占优先级可以打断正在执行的低抢占优先级的中断

2、响应优先级(sub):当抢占优先级相同时,响应优先级高的先执行,但是不能互相打断

3、自然优先级:抢占和响应都相同的话,自然优先级高的先执行。自然优先级看向量表上到下

STM32中断优先级分组

NVIC中通过AIRCR的[10:8]位,可支持8种优先级分组

STM32只用到了其中5个。

如果优先级分组为0,

则IPR的[7:4]位全部用于响应优先级配置,也就是0个抢占优先级,2^4=16个响应优先级

如果分组为1,

则IPR的[7]位用于抢占优先级,[6,4]用于分配响应优先级,也就是2个抢占优先级,8个响应优先级

以此推类。

 一个工程中一般只设置一次优先级分组。设置多次会以最后一次为准。

STM32 NVIC的使用

使用流程:

1、设置中断分组     AIRCR[10:8],HAL_NVIC_SetPriorityGrouping

2、设置中断优先级 IPRx bit[7:4],HAL_NVIC_SetPriority  //STM32只用了IPR的高四位

3、使能中断            ISERx,HAL_NVIC_EnableIRQ

 /* Set Interrupt Group Priority */HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_2);    //设置中断优先级分组为2/****************************************************************/HAL_NVIC_SetPriority(KEY0_INT_IRQn, 0, 2);               /* 抢占0,子优先级2 */HAL_NVIC_EnableIRQ(KEY0_INT_IRQn);                       /* 使能中断线3 */
//设置中断优先级分组源代码
__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;
}
//设置中断优先级源代码
__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);}
}

 设置中断优先级源代码中的

NVIC->IP[IRQn] 代表设置外部中断优先级的 IPR 寄存器小知识,IP[0]就是WWG窗口看门口

SCB->SHP[IRQn] 代表设置内核中断优先级的SHPR寄存器

EXTI

EXTI基本概念

External(Extended) interrupt/event Controlelr 外部(扩展)中断事件控制器

如F4系列包含23个产生事件/中断请求的边沿检测器,即总共:23条EXTI线

中断和事件的区别:

中断要进入NVIC,有响应的中断服务函数,需要CPU处理

事件不进入NVIC,仅用于内部硬件自动控制,如:TIM、DMA、ADC

EXTI支持的外部中断/事件请求

EXTI主要特性

F1/F4/F7系列每条EXTI线都可以单独配置:

选择类型(中断或者事件)

触发方式(上升沿、下降沿、双边)

支持软件触发

开启/屏蔽

有挂起状态位

H7系列

由其他外设对EXTI产生的事件可分为可配置事件和直接事件

可配置事件:基本和F1/F4/F7类似

直接时间:固定上升沿触发、不支持软件触发、无挂起状态位(由其他外设提供)

EXTI工作原理(F4)

一个信号从EXTI线输入进来,首先到达 边沿检测线路

接着到达 软硬件触发选择线路

最后到达 中断屏蔽/清除(挂起)线路事件屏蔽线路

边沿检测线路:通过EXTI_RTSR/EXTI_FTSR上升下降触发选择寄存器的配置来决定是否允许信号通过。比如上升下降两个选择寄存器对应位都置1,代表来了上升沿或者下降沿都允许通过

软硬件触发选择:然后信号经过或门,不管是选择软件触发还是硬件触发,只要触发了到左边就是1

中断屏蔽/清除(挂起):之后可以通过与门,也可以通过请求挂起寄存器,如果到达EXTI_PR请求挂起寄存器的信号是1,就会自动让EXTI_PR请求挂起寄存器置 1;如果EXTI_IMR屏蔽掉了,输出的就是0,与门得到的也是0,中断信号就无法到达NVIC也就无法产生中断

事件屏蔽线路:EXTI_EMR事件屏蔽寄存器如果屏蔽了信号,则与门会让信号无法到达脉冲发生器,也就无法使外设产生事件(触发外设功能)

上升/下降沿触发选择寄存器 EXTI_RTSR/EXTI_FTSR(Rising/Falling trigger selection register)

        上升/下降沿触发选择器RTSR为32位,用到了20位,每一位TRx控制一个线x的上升沿中断/事件触发的允许和禁止

软件中断事件寄存器 EXTI_SWIER(Software Interrupt Event Register)

挂起寄存器  EXTI_PR(Pending Register)

       请求挂起寄存器可以挂起/清除中断标志位。32位寄存器,20位有效,如果外部中断线上发生了选择的边沿事件,该位被置1,也就是硬件触发中断,清除时主动往该位写1,或改变边沿触发的极性(上升沿改下降沿)

中断屏蔽寄存器 EXTI_IMR(Interrupt Mask Register)

        IMR事件屏蔽寄存器是32位,只用到了20位,想屏蔽或者开启某条线的中断置1获置0即可

事件屏蔽寄存器 EXTI_EMR(Event Mask Register)

EXTI_RTSR 和 EXTI_FTSR都是32位的,具体多少位有效就看有多少EXTI线,比如F1系列有20根EXTI线那么RTSR和FTSR就是20位有效,F4系列有23根EXTI线就是23位有效

STM32F4的EXTI控制器框图

EXTI和IO的映射关系

SYSCFG简介(F4/F7/H7)

System configuration controller,即系统配置寄存器,用于外部中断映射配置等功能(F1为AFIO模块)

SYSCFG模块的外部中断配置主要使用SYSCFG_EXTICR1~4,配置EXTI中断线0~15对应到哪个具体IO口

SYSCFG_EXTICR1~4 (Configuration Register)

特别注意:配置SYSCFG寄存器之前要使能SYSCFG时钟,方法如下:

__HAL_RCC_SYSCFG_CLK_ENABLE();

EXTI与IO对应关系

EXTI0与Px0对应

当Px0映射到EXTI0时,其他分组的Pin0就不能映射到EXTI0了

可以看到EXTI0与引脚号为0的IO口对应。SYSCFG有SYSCFG_EXTICR1~4共4个外部中断配置寄存器,即EXTI0~EXTI15,EXTIx寄存器的[3:0]位用来选择相同x引脚号的不同分组。以EXTICR0为例,外部中断配置寄存器EXTICR0为32位,高16位保留,低16位拆分为4个EXTI寄存器,控制不同分组外部中断引脚的映射。EXTI0可选择对应A0、B0~I0,EXTI1可选择A1、B1~I1,依次推类

SYSCFG外部中断配置寄存器1

如何使用中断

既然是GPIO外部中断,肯定首先是要使用GPIO的,

1、设置GPIO的输入模式,比如上拉、下拉、浮空

经过GPIO以后又和EXTI有一个映射关系,就需要

2、使用AFIO或SYSCFG配置IO引脚和EXTI线映射

3、之后针对EXTI可以设置中断的屏蔽、打开,上升下降双边沿触发方式

4、经过EXTI后需要使用NVIC来设置中断分组、中断优先级和中断使能

5、最后CPU会按照优先级顺序依次处理中断

需要到达EXTI中断的可以统称为EXTI中断

GPIO中断对应的是EXTI0~15这16根线,而EXTI16 ~23是来自其他外设,如RTC闹钟事件、USB唤醒事件等等,这些EXTI16之后的外部中断不经过SYSCFG直接到达EXTI

不经过EXTI直接到达NVIC的中断统称为外设中断

USART/TIM/SPI等外设中断则不需要经过EXTI,直接由外设自己的寄存器进行中断开启和触发方式选择,可以直接到达NVIC

EXTI的HAL库配置步骤(GPIO外部中断) 

1、使能GPIO时钟                                         __HAL_RCC_GPIOx_CLK_ENABLE

/*******************************************HAL_GPIO_Init()一步到位**********************************/

2、设置GPIO输入模式                                   上/下拉/浮空输入

3、设置AFIO/SYSCFG时钟                           设置AFIO/SYSCFG时钟开启寄存器

4、设置EXTI和IO对应关系                            AFIO_EXTICR/SYSCFG_EXTICR

5、设置EXTI屏蔽,上下沿触发方式              IMR设置EXTI对应通道的屏蔽,、RTSR/FTSR设                                                                             置上升沿/下降沿触发方式

/*********************************************HAL_GPIO_Init()一步到位**********************************/

6、设置NVIC                                                 设置优先级分组、设置优先级、中断使能                                                                                           HAL_NVIC_SetPriorityGrouping

                                                                       HAL_NVIC_EnableIRQ

7、设置中断服务函数                                    编写对应中断服务函数,清中断标志

                                                                       EXTIx_IRQHandler

STM32仅有7个外部中断服务函数,EXTI 0~4有5个中断服务函数,EXTI 9_5共用一个中断服务函数,EXTI 15_10共用一个中断服务函数

通用外设驱动模型(四步法)

HAL库中断回调处理机制介绍

HAL库的中断回调处理异常复杂,知道大概原理即可,按需去看即可

大概流程就是从main()进入到中断服务函数HAL库中断处理公用函数HAL库数据处理回调函数,再依次往上回到上一级函数,最后回到main函数

通过外部中断控制一个灯亮灭

Key按键原理图

首先分析按键IO应该配置为什么模式

KEY_UP外接高电平,连接时应该给到一个上升沿触发,断开的时候是高阻态,高阻态电平不确定,因此为了确保稳定性初始状态应该配置为下拉输入

KEY0、KEY1、KEY2这三个按键是反过来的,按下时输入低电平,会给到一个下降沿触发,因此初始状态应该配置成上拉输入

当外部中断产生之后会调用中断服务函数,中断处理函数会调用中断处理公用函数,处理公用函数会调用数据处理回调函数

通常重写数据处理回调函数处理自己的业务逻辑

#define KEY0_INT_IRQHandler             EXTI3_IRQHandler
#define __HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(__EXTI_LINE__) (EXTI->PR & (__EXTI_LINE__))/*** @brief  This function handles EXTI interrupt request.* @param  GPIO_Pin Specifies the pins connected EXTI line* @retval None*/
//Pin口引脚与EXTI线由SYSCFG_EXTI1~3的EXTI0~3(共0~15)进行映射
//映射规则不可能有两条EXTI线映射到相同的Pin号引脚
//PR寄存器的20位有效每一位对应被映射到EXTI的引脚Pin号。因此Pin号确定PR寄存器的对应位也就可确定
void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin) //***中断处理公用函数***
{/* EXTI line interrupt detected */if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_Pin) != RESET){__HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_Pin);HAL_GPIO_EXTI_Callback(GPIO_Pin);  //***数据处理回调函数***}
}void KEY0_INT_IRQHandler(void)          //***中断服务函数***
{HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(KEY0_INT_GPIO_PIN);         /* 调用中断处理公用函数,清除中断标志位 */__HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(KEY0_INT_GPIO_PIN);         /* 退出时再清一次中断,避免按键抖动误触发 */
//不清除中断的话,长按就会持续进入数据处理回调函数里面
}void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{delay_ms(20);                                       /* 消抖 */switch (GPIO_Pin){case KEY0_INT_GPIO_PIN:if (KEY0 == 0){LED1_TOGGLE();                          /* LED1状态取反 */ LED0_TOGGLE();                          /* LED0状态取反 */ }break;case KEY1_INT_GPIO_PIN:if (KEY1 == 0){LED1_TOGGLE();                          /* LED1 状态取反 */ }break;case KEY2_INT_GPIO_PIN:if (KEY2 == 0){LED0_TOGGLE();                          /* LED0 状态取反 */ }break;case WKUP_INT_GPIO_PIN:if (WK_UP == 1){LED1_TOGGLE();                          /* LED1状态取反 */if (HAL_GPIO_ReadPin(LED1_GPIO_PORT, LED1_GPIO_PIN) == 1){LED0(0);}else {LED0(1);}}break;default : break;}
}

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