[嵌入式]STM32F4中断(Interrupt)详解

STM32F4中断(Interrupt)详解

一、中断是什么?

中断就是在程序正常运行时,突然发生一件"不正常"的事,CPU就需要暂停正在处理的事立马去处理这件"不正常"的事,处理完后再回到原来的事情

中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。 — 百度百科

可以拿平常生活中的例子来说,一场考试,监考老师在监考时会不停的在教室里转圈(CPU正常执行既定程序),突然有个考生举手说想上厕所(意外情况),监考老师立马走过去(暂停正常任务),然后示意他去上厕所,随后监考老师继续巡视(返回正常任务)

二、STM32的中断体系

2.1 STM32的中断分类

• 内核中断—NVIC嵌套向量控制器控制的片上外设异常
• 外部中断—由外部中断线接收来自外部的电平异常
• 软件中断—由外部中断线接收来自软件产生的异常

2.2 STM32中断优先级

为使系统能及时响应并处理发生的所有中断，系统根据引起中断事件的重要性和紧迫程度，硬件将中断源分为若干个级别，称作中断优先级。

在实际系统中，常常遇到多个中断源同时请求中断的情况，这时CPU必须确定首先为哪一个中断源服务，以及服务的次序。解决的方法是中断优先排队，即根据中断源请求的轻重缓急，排好中断处理的优先次序即优先级( Priority )，又称优先权，先响应优先级最高的中断请求。另外，当CPU正在处理某一中断时，要能响应另一个优先级更高的中断请求，而屏蔽掉同级或较低级的中断请求，形成中断嵌套 —百度百科

• ARM公司规定中断优先级分为: 抢占/占先优先级 响应/次级优先级 自然优先级

• ARM公司用8位二进制数来表示这三个优先级

• ST(意法半导体)公司只用了4位二进制数来表示这三个优先级,故最多可以配置16个优先级

• 优先级**序号越小,优先级越高**

• 每个project只能有一个优先级分组

在查找优先级分组时,要去<内核手册>里查看,不同版本分组会有不同

2.2.1 抢占优先级

不管中断产生的先后顺序,只比较抢占优先级的高低,优先级高的立即执行,例如:如果一个中断执行过程中,又有一个更高抢占优先级中断产生,CPU则会暂停当前中断跑去执行更高抢占优先级中断**,实现中断嵌套**

2.2.2 响应优先级

如果两个相同抢占优先级的中断产生,那么两个中断会按照响应优先级顺序进行排队,优先级高的先执行

2.2.3 自然优先级

自然优先级是事先已经规定好的优先级序列当抢占优先级、响应优先级都相同时,先执行自然优先级高的中断

2.3 STM32中断实现方法

2.3.1 中断执行过程

2.3.2 中断实现

STM32中断由嵌套向量中断控制器(NVIC)控制,它与处理器接口紧密配合,所有中断信号都要经过NVIC来进行控制,包括外部中断和软件中断

2.4 中断的具体应用场景

• 时间片(非阻塞程序)的编写
• 串口接受数据
• 按键的触发等等

三、STM32中断的配置

3.1 NVIC配置方法:

3.1.1 NVIC配置函数

(1)NVIC分组函数:NVIC_SetPriorityGrouping

参数:7-分组号

返回:void

(2)NVIC优先级编码:NVIC_EncodePriority

参数1:分组号(同分组函数参数)

参数2:抢占优先级

参数3:响应优先级

返回:u32的一个编码数

功能:这个函数负责**把分组方式,抢占优先级,响应优先级的数值编码成一个32位的数字返回,方便在优先级设置函数里作为参数使用**(所以需要定义一个临时变量去存储该函数的返回值)

(3)NVIC优先级设置:NVIC_SetPriority

参数1:中断源编号(已经在stm32f4xx.h里定义成枚举类型)

参数2:中断优先级编码,使用的就是NVIC_EncodePriority函数的返回值

返回:void

(4)NVIC中断使能:NVIC_EnableIRQ

参数:中断源编号(已经在stm32f4xx.h里定义成枚举类型)

返回:void

3.1.2 初始化NVIC控制器的一般步骤:

1. 找设置优先级组别函数:在<core_cm4.h>里寻找
2. 找配置抢占优先级、响应优先级的函数:在<core_cm4.h>里寻找(配置抢占/响应优先级时,可调用NVIC_EncodePriority()函数对参数进行组合)
3. 找NVIC中断使能函数:在<core_cm4.h>里寻找

例:初始化USART1的NVIC控制器为第5组,抢占优先级为1,自然优先级为3

usart1_Init();//事先要写好并调用usart1的初始化函数
void nvic_Init(void)
{
    u32 temp;
    
    NVIC_SetPriorityGrouping(7-5);//第五组写成7-5更具易读性
    temp = NVIC_EncodePriority(7-5,1,3);//temp存储返回值
    NVIC_SetPriority(USART1_IRQn,temp);//去文件里找中断源编号
    NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);//NVIC中断使能
}

3.2 开启中断触发条件

3.2.1 片上外设(串口,定时器等)—内部中断

只需开启其相应的中断位即可

例:串口接收到数据时产生中断

USART1->CR1 |= (1<<5);//接收数据中断使能

3.2.2 片外外设(按键,指纹模块等)—外部中断

则还需要配置外部中断(EXTI寄存器和SYSCFG寄存器)

3.3 外部中断

如同配置内部中断一样,但像按键,指纹模块等外部设备,系统没有固定的中断源供使用,这时候就需要配置外部中断控制器

3.3.1 外部中断配置流程

(1)时钟使能SYSCFG寄存器—APB2–14位

(2)配置SYSCFG外部中断配置寄存器SYSCFG_EXTICR[0:3]

引脚0~3:SYSCFG_EXTICR[0]

引脚4~7:SYSCFG_EXTICR[1]

…

以此类推

(3)配置EXTI寄存器

1. 中断屏蔽寄存器(EXTI_IMR)置1
2. 事件屏蔽寄存器(EXTI_EMR)置0
3. 上升/下降沿触发选择寄存器(EXTI_RTSR/EXTI_FTSR):根据需要配置
4. 软件中断事件寄存器(EXTI_SWIER)置0

(4)配置NVIC控制器

(5)按内部中断的方法配置NVIC控制器,但中断源是外部中断线EXTI

例:配置GPIOC端口13引脚的Key2下降沿触发中断

中断为第五组,抢占优先级为1,响应优先级为2

Key2_Init();//事先要写好并调用Key2的初始化函数
void exti15_10_Init(void)
{
    u32 priority;
    
    //时钟使能SYSCFG寄存器—APB2–14位
    RCC->APB2ENR |= (0x01<<14);
    //配置SYSCFG外部中断配置寄存器SYSCFG_EXTICR[0:3]
    SYSCFG->EXTICR[3] |= (0x02<<4);//PC13
    //EXTI寄存器配置
    EXTI->IMR	|=	(0x01<<X10_15);//开放来自13线的中断请求
	EXTI->EMR	&= ~(0x01<<X10_15);//屏蔽来自13线的事件请求
	EXTI->RTSR	&= ~(0x01<<X10_15);//屏蔽13线上升沿触发
	EXTI->FTSR	|=	(0x01<<X10_15);//允许13线下降沿触发
	EXTI->SWIER	&= ~(0x01<<X10_15);//使能模块级中断
    //NVIC控制器配置
    NVIC_SetPriorityGrouping(7-5);//第五组
    priority = NVIC_EncodePriority(7-5,1,2);//抢占1,响应2
    NVIC_SetPriority(EXTI15_10_IRQn,priority);//由于没有EXTI13,则使用EXTI15_10_IRQn中断号
    NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);//使能中断线
}

3.4 软件中断

软件中断即利用产生软件中断事件来发起中断,例如当需要软件中断时,设置软EXTI的挂起寄存器为1,则可以直接进入软件中断服务函数

3.4.1 配置EXTI寄存器

1. 上升/下降沿触发器置0
2. 软件中断事件寄存器置1
3. 事件屏蔽寄存器置0
4. 中断屏蔽寄存器置1

3.4.2 配置NVIC控制器

按内部中断的方法配置NVIC控制器,但中断源是外部中断线EXTI

且配置软件中断时,EXTI线可以任意选,但尽量避开有其他中断的线

例:配置EXTI7线能够产生软件中断

中断为第五组,抢占优先级为0,响应优先级为2

void software_Init(Void)
{
    u32 temp;//用于配置NVIC优先级
    
    //上升/下降沿触发器置0
    EXTI->RTSR &= ~(0x01<<7);
    EXTI->FTSR &= ~(0x01<<7);
    //软件中断事件寄存器置1
    EXTI->SWIER |= (0x01<<7);
    //事件屏蔽寄存器置0
    EXTI->EMR &= ~(0x01<<7);
    //中断屏蔽寄存器置1
    EXTI->IMR |= (0x01<<7);
    
    NVIC_SetPriorityGrouping(7-5);//分组设置
    temp = NVIC_EncodePriority(7-5,0,2);//得到优先级序列
    NVIC_SetPriority(EXTI9_5_IRQn,temp);//设置优先级
    NVIC_EnableIRQ(EXTI9_5_IRQn);//使能中断线
}

3.5 中断服务函数

在中断初始化后,就可以使用中断服务函数,即产生中断时立即跳入中断服务函数执行相应的任务

3.5.1 片上外设的中断服务函数

STM32F4的片上外设一般都有自己的中断标志位,例如USART1的CR1寄存器中就有相应的中断标志位,该位一般都由硬件置一,比如读取到数据寄存器不为空时,USART_CR1中的RXNEIE就会置一并产生中断

1. 在<startup_stm32f40_41xxx.s>文件里找到相应的中断服务函数名
2. 判断是由哪一个中断标志位进入的中断并**清除标志位**
3. 编写该中断所需要的功能

注意:中断服务函数一定要去复制粘贴,不要自己写

例:USART1的中断服务函数,由该中断服务函数得到主机发送来的一个字符串并存储

char usart1_str[255];//全局变量,用于存储字符串
void USART1_IRQHandler(void)
{
    static u8 i = 0;
    u8 ch;
    
    if(USART1->SR & (0x01<<5))//若是由读取数据寄存器产生的中断
    {
        usart1_str[i++] = USART1->DR;//读取字符,在读取的时候顺便清除了标志位
        if(i == 255)
        {
            i = 0;
        }
    }
    if(USART1->SR & (0x01<<4))//若是由于检测到空闲线路产生的中断
    {
        ch = USART1->DR;//清空标志位
        usart1_str[i] = '\0';//使之成为字符串
        i = 0;
    }
}

3.5.2 片外外设中断服务函数

由于片外外设(按键,指纹模块等)没有中断标志位,故采用边沿检测的方法来触发中断

1. 在<startup_stm32f40_41xxx.s>文件里找到相应**中断线**的中断服务函数名
2. 判断是由哪条中断线产生的中断并**清除标志位**
3. 编写该中断所需要的功能

例:按键按下触发外部中断线13产生中断并使LED3切换状态

void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
    if(EXTI->PR & (0x01<<13))//如果是由线13(Key2---PC13)产生的中断
    {
        EXTI->PR |= (0x01<<13);//写1清除
        LED_TUN(3);
    }
}

3.5.3 软件中断服务函数

软件中断由于不是由硬件触发,所以软件中断的触发条件是在需要时调用,跟普通函数很像,但可以设置高优先级以保护软件中断服务函数不被其他中断打断

1. 在需要软件中断的地方设置EXTI_PR寄存器为1以触发软件中断
2. 在<startup_stm32f40_41xxx.s>文件里找到相应**中断线**的中断服务函数名
3. 判断是由哪条中断线产生的中断并**清除标志位**
4. 编写该中断所需要的功能

例:在USART1中断服务函数里,当字符接收完后,调用软件中断

该软件中断功能:比较USART1得到的字符串与目标字符串是否一致,一致则做相应操作

/**************************USART1中断服务函数里***************************************/
char usart1_str[255];//全局变量,用于存储字符串
void USART1_IRQHandler(void)
{
    static u8 i = 0;
    u8 ch;
    
    if(USART1->SR & (0x01<<5))//若是由读取数据寄存器产生的中断
    {
        usart1_str[i++] = USART1->DR;//读取字符,在读取的时候顺便清除了标志位
        if(i == 255)
        {
            i = 0;
        }
    }
    if(USART1->SR & (0x01<<4))//若是由于检测到空闲线路产生的中断
    {
        ch = USART1->DR;//清空标志位
        usart1_str[i] = '\0';//使之成为字符串
        i = 0;
        EXTI->PR |= (0x01<<7);//调用中断线7的软件中断
    }
}
/*********************************************************************************/

//软件中断服务函数
void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    if(EXTI->PR & (0x01<<7))//若是由线7产生的软件中断
    {
        EXTI->PR |= (0x01<<7);//写1清除标志位
        if(EXTI->PR & (1<<7))
        {
            //清除标志位
            EXTI->PR |= (1<<7);
            if(strcmp(usart1_str,"open") == 0)
            {
                LED_ON(3);
                LED_ON(4);
                motor_drive(OPEN);
            }else if(strcmp(usart1_str,"lock") == 0)
            {
                LED_OFF(3);
                LED_OFF(4);
                motor_drive(LOCK);
            }else
            {
                printf("请重新输入!\r\n");
            }
        }
    }
}