STM32 中断系统

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前言

一、中断系统

1.1 什么是中断

1.2 中断优先级

1.3 中断嵌套

1.4 C语言中的中断程序

二、STM32的中断通道和中断向量

2.1 中断通道

2.2 嵌套向量中断控制器NVIC

2.2.1 什么是NVIC

2.2.2 NVIC基本结构

2.2.3抢占优先级和响应优先级

2.2.4 NVIC的优先级分组

三、STM32 外部中断EXTI

3.1EXIT简介

3.2EXIT基本结构

3.3AFIO复用IO口

3.4EXIT框图

总结


前言

        本文主要讲述STM32的中断系统和外部中断,中断系统是管理和执行中断的逻辑结构;外部中断是众多能产生中断的外设之一。


一、中断系统

  • 中断:在主程序运行过程中,出现了特定的中断触发条件(中断源),使得CPU暂停当前正在运行的程序,转而去处理中断程序,处理完成后又返回原来被暂停的位置继续运行。
  • 中断优先级:当有多个中断源同时申请中断时,CPU会根据中断源的轻重缓急进行裁决,优先响应更加紧急的中断源。
  • 中断嵌套:当一个中断程序正在运行时,又有新的更高优先级的中断源申请中断,CPU再次暂停当前中断程序,转而去处理新的中断程序,处理完成后依次进行返回。

1.1 什么是中断

        当CPU正在执行某个程序时,由计算机内部或外部原因引起的紧急事件向CPU发出请求处理的信号,CPU在允许的情况下响应请求信号,暂时停止正在执行的程序,保护好断点处的现场,转向执行一个用于处理该紧急事件的程序,处理完成后又返回被终止的程序断点处,继续执行原程序,这一过程就是上图中中断响应和处理的过程。

1.2 中断优先级

        1.中断优先级就是中断的紧急程度。

        2.中断优先级是我们根据程序设计的需求,自己设置的。

        3.中断优先级是为了在多个中断同时申请时,判断一下,应该先处理哪个。如果事件非常紧急,就把优先级设置高一些;如果事件不紧急,就把优先级设置低一些。这样可以更好的安排这些中断事件,防止紧急的事件被别的中断耽误。

1.3 中断嵌套

        中断嵌套就是把中断程序再次中断的现象,中断嵌套也是为了处理非常紧急的中断。

        如果在CPU已经在执行某个中断程序时,又发生了一个非常紧急的中断,那这个非常紧急的中断就可以把当前的中断程序进行二次中断。这样新的紧急中断就可以立即被执行了。等紧急的中断结束,再继续执行原来的中断。原来的中断结束再继续主程序

        能否进行中断嵌套,是由中断优先级来决定的。

1.4 C语言中的中断程序

        带有中断程序的代码示例:

int main(void)//主函数
{while(1){//主程序//……//主程序}
}void EXTI0_IRQHandler(void)
{//中断程序//……//中断程序
}

        在主函数中,while(1) 死循环里就是主程序。正常情况下,程序就是在主程序里不断循环执行。当中断条件满足时,主程序就会暂停,自动跳转到中断程序里运行。中断程序执行完之后,再返回主程序继续执行。

        一般中断程序都是在一个子函数里的,这个子函数不需要我们调用。当中断来临时,由硬件自动调用这个函数。

二、STM32的中断通道和中断向量

2.1 中断通道

        中断通道就是中断源的意思。

        可屏蔽中断通道包含EXTI外部中断、TIM定时器、ADC模数转换器、USART串口、SPI通信、I2C通信、RTC实时时钟等多个外设。

2.2 嵌套向量中断控制器NVIC

2.2.1 什么是NVIC

        NVIC就是STM32中用来管理中断、分配优先级的。

        使用NVIC统一管理中断,每个中断通道都拥有16个可编程的优先等级,可对优先级进行分组,进一步设置抢占优先级和响应优先级。

STM32F10xxx产品(小容量、中容量和大容量)的向量表

STM32内核中断:

STM32外设中断:

        表中EXTI0、EXTI1、EXTI2、EXTI3、EXTI4、EXTI9_5、EXTI15_10是外部中断对应的中断资源。

        表的最右边一列是中断对应的地址,这是因为程序中断函数的地址是由编译器来分配的,是不固定的。但是我们的中断跳转,由于硬件的限制,只能跳转到固定的地址执行程序。所以为了能让硬件跳转到一个不固定的中断函数里,这里就需要在内存中定义一个地址的列表。列表地址是固定的,中断发生后,就跳到这个固定的位置。然后在这个固定位置,由编译器再加上一条跳转到中断函数的代码,这样中断跳转就可以跳转到任意位置了。这个中断地址的列表就叫中断向量表,相当于中断跳转的一个跳板。

2.2.2 NVIC基本结构

        NVIC的名字叫做嵌套中断向量控制器。在STM32中,它是用来统一分配中断优先级和管理中断的。NVIC是一个内核外设,是CPU的小助手,NVIC有很多输入口,有多少中断线路都可以接过来,比如图中可以接到EXTI、TIM、ADC、USART等。

        图中线上画了个斜杠,上面写了n,意思是一个外设可能会同时占用多个中断通道,所以这里有n条线。NVIC只有一个输出口,NVIC根据每个中断的优先级分配中断的先后顺序,之后通过右边这一个输出口告诉CPU,该处理哪个中断。对于中断先后分配的任务,CPU不需要知道。

2.2.3抢占优先级和响应优先级

1.抢占优先级:pre-emption priority (先占优先级)

        抢占是指打断其他中断的属性,即低抢占优先级的中断A可以被高抢占优先级的中断B打断,执行完中断服务函数B后,再返回继续执行中断服务函数A,由此会出现中断嵌套。

2.响应优先级:subpriority(从占优先级)

        响应属性应用在抢占属性相同的情况下,也就是当两个中断源的抢占优先级相同时,分以下几种情况处理:

  1. 如果两个中断同时到达,则中断控制器会优先处理响应优先级高的中断。
  2. 当一个中断到来后,如果正在处理另一个中断,则这个后到的中断就要等到前一个中断处理完之后才能被处理(高优先级的中断不可以打断低响应优先级的中断)。
  3. 如果他们的抢占优先级和响应优先级都相等,则根据它们在中断表中的排位顺序决定先处理哪一个。

2.2.4 NVIC的优先级分组

        为了处理不同形式的优先级,STM32的NVIC可以对优先级进行分组,分为抢占优先级和响应优先级。

        NVIC的中断优先级由优先级寄存器的4位(0~15)决定,这4位可以进行切分,分为高n位的抢占优先级和低4-n位的响应优先级

        抢占优先级高的可以中断嵌套,响应优先级高的可以优先排队,抢占优先级和响应优先级均相同的按中断号排队,中断号就是上文向量表中优先级那一列。数值小的优先响应。

        STM32的中断不存在先来后到的排队方式,在任何时候,都是优先级高的先响应。

        这个分组方式可选择,通过调用STM32固件库的函数NVIC_PriorityGroupConfig(); 来选择优先分组方式。选好分组方式之后,在配置优先级的时候要注意抢占优先级和响应优先级的取值范围。不要超出表里规定的取值范围。

三、STM32 外部中断EXTI

3.1EXIT简介

  • EXTI(Extern Interrupt)外部中断
  • EXTI可以监测指定GPIO口的电平信号,当其指定的GPIO口产生电平变化时,EXTI将立即向NVIC发出中断申请,经过NVIC裁决后即可中断CPU主程序,使CPU执行EXTI对应的中断程序
  • 支持的触发方式:上升沿/下降沿/双边沿/软件触发
  • 支持的GPIO口:所有GPIO口,但相同的Pin不能同时触发中断(如PA0、PB0、PC0这样的端口GPIO_Pin一样的不能同时用,只能选1个作为中断引脚。若有多个中断引脚,要选择不同Pin的引脚,如PA6、PA7、PB9、PC0这样的。)
  • 通道数:16个GPIO_Pin(对应GPIO_Pin_0到GPIO_Pin_15),外加PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒、以太网唤醒
  • 触发响应方式:中断响应/事件响应
  1. 中断响应就是申请中断,让CPU执行中断函数。
  2. 事件响应是STM32对外部中断增加的一种额外的功能,当外部中断检测到引脚电平变化时,正常的流程时选择触发中断,但在STM32中也可以选择触发一个事件。如果选择触发事件,那外部中断的信号就不会通向CPU了,而是通向其他外设,用来触发其他外设的操作,如触发ADC转换、触发DMA等。
  3. 触发响应方式总结:中断响应是正常流程,引脚电平变化触发中断。事件响应不会触发中断,而是触发别的外设操作,属于外设之间的联合工作。

3.2EXIT基本结构

        上图为外部中断的整体结构图。最左边是GPIO口的外设,比如GPIOA、GPIOB、GPIOC等等。每个GPIO外设有16个引脚,所以每个GPIO外设都进来16根线。

        上文说到EXTI模块只有16个GPIO的通道,但每个GPIO外设都有16个引脚,如果每个引脚占用一个通道,那EXIT的16个通道显然就不够用了。所以在GPIO外设和EXIT中间会有一个AFIO中断引脚选择的电路模块。

        AFIO就是一个数据选择器,它根据GPIO外设端口的引脚序号不同,把不同GPIO端口的同一个序号的引脚组成一组(如PA0、PB0、PC0、PD0、PE0、PF0、PG0为一组),每组对应一个通道连接到EXIT。所以上文说,相同的Pin不能同时触发中断,因为对于PA0、PB0、PC0这些相同的Pin,通过AFIO选择后,只有其中一个能接到EXIT的通道EXIT0上。这也就是所有的GPIO口都能触发中断,但相同的Pin不能同时触发中断的原因。

        通过AFIO选择之后的16个通道,就接到了EXIT边沿检测及控制电路上。同时下方的PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒、ETH以太网唤醒的外设也是并列接进来的。这些加起来就组成了EXIT的20个输入信号。

        经过EXIT电路之后,分为了两种输出,其中上方的EXTI0、EXTI1、EXTI2、EXTI3、EXTI4、EXTI9_5、EXTI15_10、PVD、RTC、USB、ETH这些接到了NVIC,是用来触发中断的。下方有20条输出线路连接到了其他外设,用来触发其他外设操作的,就是事件响应。

        这里注意,本来20路输入,应该有20路中断输出,但是为了节约NVIC的通道资源,把其中外部中断的9~5分配到一个通道EXTI9_5,中断的15~10也分配到一个通道EXTI15_10。也就是外部中断的9~5会触发同一个中断函数,外部中断的15~10也会触发同一个中断函数。在编程的时候,对这两个中断函数需要再根据标志位来区分是哪个中断进来的。

3.3AFIO复用IO口

  • AFIO主要用于引脚复用功能的选择和重定义,也就是数据选择器的作用。
  • 在STM32中,AFIO主要完成两个任务:复用功能引脚重映射、中断引脚选择

        上图为AFIO选择中断引脚的结构图。

3.4EXIT框图


总结

        以上就是今天要讲的内容,本文仅仅简单介绍了STM32的中断基础知识。

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