深入STM32中断——浅谈在HAL库中的机制

什么是中断？   

        在STM32微控制器中，基于其ARM单核架构，程序的执行遵循单线程模式。为了提高处理效率，微控制器可以利用其丰富的外设资源来优化CPU的资源分配，从而增强系统的并发处理能力。

        中断机制是首个我们学习的能够通过其特性来优化CPU资源分配，进而提升系统并发处理能力的外设。熟练掌握中断的使用对于今后编写高效且逻辑清晰的程序至关重要

        下图是它在整个程序执行过程中的逻辑图：

        在系统执行程序的时候，由于在STM32的单核ARM架构影响下，整个进行过程是单线程的。由于中断的加入，在单线程的执行过程中，程序可以通过是否触了进入中断的条件，如果成功触发条件就进入中断里面的执行中断事件，相反。（它会打断原进程）

这里就可以得出它的普遍意义和作用

意义：

1.实时控制：在确定的时间内对相应事件做出相应；例如：温度控制；

2.故障处理：检测到故障，需要第一时间进行处理；

3.数据传输：不确定数据何时会来，利用中断进行控制；

作用：

中断的作用：高效处理紧急程序，并且不会占用CPU资源。

        举一个简单的例子：
        小明在家写作业，听到了自己的手机响了就去接电话了，接完后继续写作业。

      

      在原话中有三个关键词：写作业、手机响了、接电话。它们分别对应了：原程序、发生中断条件、进入中断发生的事件。

        那么如果是电话和门铃同时响，小明他应该先干嘛嘞？下面就要引入“中断管家”的概念

一、中断的管家——NVIC中断优先级分组

1、NVIC的概念

        NVIC（Nested vectored interrupt controller），嵌入向量中断控制器,它是ARM Cortex-M系列微控制器的中的一个关键组件，负责管理和控制中断。

        对于它的降级需要引入几个概念：中断管理、向量表、优先级、中断屏蔽、活跃状态、异常处理。

        在这之前要先澄清CPU与中断服务函数与main（程序执行的主要内容的地方）。

        如下图所示：

在执行主程序main前，以STM32F103c8t6为例：在执行前，会将部分中断服务函数使能

这里的中断服务函数分为：

内核中断服务函数：这部分的中断是微控制器运行的基础，确保系统的正常运行。

外设中断服务函数：在对这部分的中断使能前是为了保证“应用程序需要与外部设备通信或者需要定时器进行精确的时序控制”

在keil5中中断服务函数应该怎么去找嘞，不管是在标准库还是HAL库，都在这个启动文件里面找到：

下图就是部分中断服务函数入口地址（中断向量表）：

对于中断向量表的描述：用来查询中断服务函数地址，也是32默认的中断服务函数的执行顺序。所以对于中断向量表能提供2 个信息，一个是中断服务函数的地址，另一个就是中断服务函数默认的执行的顺序。

         执行这些中断服务函数的目的就是去抢夺ARM Cortex-M资源，也就是它的运算能力，抢夺过来来处理中断内的事件，当这些做完后STM32才会去执行mian内的程序。

        在这个抢夺就出现了顺序的问题：应该让谁来做第一个，谁来做最后一个嘞？

        这里就引回了上面在将中断概念提到的“小明”事件了，下面我将细细讲来。

2、NVIC寄存器、工作原理

NVIC寄存器：

（以下资料来自于：参考手册  STM32F10xxx Cortex-M3 编程手册.pdf）

中断使能寄存器（ISER）

位置：4.3.2—NVIC_ISERx

中断除能寄存器（ICER）

位置：4.3.3—NVIC_ICERx

应用程序中断及复位控制寄存器

位置： 4.4.5—SCB_AIRCR

中断优先级寄存器

位置： 4.3.7—NVIC_IPRx

NVIC工作原理

        （1）这里的AIRCR寄存器是用来规定中断优先级（抢占优先级与响应优先级（又称子优先级））的个数的的总个数的；

        （2）寄存器ISER、ICER，分别用1bit控制中断的使能、失能（外设中断），使能后才能对该中断的中断优先级设置；

        （3）IPR寄存器在AIRCR寄存器分配后进行中断优先级的数量的设置，8bit控制一个中断优先级；

        （4）SHPR寄存器是只对内核中断的中断优先级（抢占优先级）进行数量的控制，所以在内核中断与外设中断执行顺序的比较中只会比较抢占优先级，而且内核中断是一直使能，它不需要经过ISER、ICER的寄存器的控制。

        下图是各个STM32型号里的内核中断、外部中断、中断有优先级的总数量。        

 在这里的分组（抢占优先级：响应优先级）有这几种情况：

         [4:0]：16个抢占优先级，0个响应优先级

         [3:1]：12个抢占优先级，4个响应优先级

         [2:2]：8个抢占优先级，8个响应优先级

         [1:3]：4个抢占优先级，12个响应优先级

         [0:4]：0个抢占优先级，16个响应优先级

NVIC中断优先级分组规则：

（1）.抢占优先级：高抢占优先级可以打断正在执行的低抢占优先级中断

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

（3）.抢占和响应都相同的情况下,自然优先级高的，先执行

（4）.自然优先级：中断向量表的优先级

补充：

（1）.上述的高是指的是顺序高，不是数值高，也就是说数值越小，表示优先级越高

（2）.先抢占再响应！

例如：

        这里的抢占优先级和响应优先级的位数是通过AIRCR寄存器控制分组、IPR寄存器设置前4位数来实现的。

        额。。。如果这里你还没理解的话，下面我叫一个通俗易懂的：

        现在我有两个外部中断 EXTIO和EXTI1：

我的NVIC分组为[0:4]——代表现在的外部中断只能设置响应优先级，也就是16给优先级

现在只能设置EXTI0 、 EXTI1的响应优先级

设置：EXTIO   12 个响应优先级

           EXTI1   10  个响应优先级

比较下：两个外部中断的执行顺序为EXTI1 在 EXTI0 之前

3、在HAL中对于在CUBE MX里的配置和在kile5 中 NVIC相关的函数

在CUBE MX 中的配置方法：

先使能两个EXTI0和EXTI1两个外部中断

设置NVIC：

        先说主要的

        Priority Group中断优先级分组：这里可以选择抢占优先级与响应优先级分组方式，这里对应着我上面说的NVIC分组来的

        Enabled,勾选这个就能直接使能对应的中断，也可以用来检查是否将对应的中断段使能了。

        Preemption Priority,设置抢占优先级；Sub Priority,设置响应优先级

补充：具体的数量是根据优先级分组来定的，特别说明，它这里的个数是从0开始的也就是说0作为第一个，0-15代表16个中断优先级，但如果是在[4:0]或者[0:4]的情况下，这时候0就对应了没有抢占优先级、没有响应优先级

其他选项的说明:

Search,这里可以直接搜寻，对应的中断名

Sort by Premption Priority and Sub Priorrity,勾选这个进行，抢占与响应优先级的排序

Sort by interrupts names,勾选这个进行按中断名称排序

Force DMA channels Interrupts,指定是否强制使能DMA通道的中断。（这个我会在下面将中断的在HAL库中的机制时具体讲解）

HAL库，在kile5中相关函数

（注意：在CUBE MX配置后这些会自动生成，如果你翔去手动修改直接按照下面函数的作用传入参数就行）:

使能函数，传入参数为对应的需要使能的中断

例如：这样，使能EXTI0外设中断

失能也一样的用法。

规定NVIC中断分组情况，传入参数为抢占与响应优先级的分组情况

例如：这样分组抢占优先级：响应优先级[0:4]

设置优先级数量，对抢占优先级与响应优先级数量的设置。

例如：设置外部中断EXTI0的抢占优先级为8、响应优先级为8。

        再次提醒以上的对NVIC的配置均可以在CUBE MX里面直接配置，上面讲解是为了帮助大家理解NVIC的配置的由来，所以不是很建议，在已经配置完后再去手动配置一遍NVIC！！！！

二、在HAL库中的“中断服务函数”——中断回调机制

1、概念

        在HAL库里面用来对于进入中断后执行内部的事件的这个过程不叫做“中断服务函数”，这个概念是来之标准库的。

        从逻辑上面来讲：

        标准库的处理逻辑，进入中断里开始执行程序，执行完后，先清除标志位然后在退出中断；而在HAL库里面处理的逻辑就截然不同，在HAL库里面想要执行中断服务函数，它不像标准库直接编写中断服务函数就行。在HAL库里面，你需要通过HAL库中断处理公用函数、HAL库数据处理回调函数来实现具体流程为可以表为：

实现一个中断内的时间 =中断服务例程——>HAL库中断处理公用函数——>HAL库数据处理回调函数——>HAL库中断处理公用函数——>中断服务例程

特别注意：

        （1）中断例程：是指中断向量表中地址映射的函数，这个函数如果在没有使能前，是为被定义的，它只是在提前为地址做了个标识，这个需要自己使能后，才能对这个函数进行操作，当然这个函数会在，你CUBE MX生成工程过程中直接生成这个函数。

        （2）HAL库中断处理公用函数：

中断向量表中，可以看出，去使用那个中断，就需要先去定义那个中断例程

在自动生成的中断例程中，它会生成指向中断处理公用的函数

在中断处理公用函数里，执行着异常处理、清中断标志等处理

最后就是需要设计进入中断后执行的事件，需要你在回调函数中编程，注意在每个外设只能定义一个回调函数，但像EXTI这种外部中断有多个的时候，但只有一个回调函数的情况，可以在回调函数里面，可以通过条件编程来实现，应用多个EXTI外部中断，如下图：

       

       下图是它一个工作的逻辑图，便于大家理解：

2、代码实例(这一部分博主会在下一张用一个简单和一个进阶的代码实例，来细细讲解)

        （博主用的是正点原子的mini板）。

        代码逻辑：

        按下Key_0,再按下按键Key_1,观察是那个灯亮，按照EXTI0先执行EXTI1后执行的逻辑，
        正常结果：会出现LED_0发生闪烁而不是LED_发生闪烁，
        错误结果：如果是EXTI1先执行的话当LED_1闪烁完后再次重复按键操作会出现LED_0长亮

      先选择芯片型号，STM32F103RCT6

        使能LED0与LED1引脚PA8与PD2：初始化为推完输出与高电平，电平触发方式为电平下降沿触发。

        使能EXTI0与EXTI1外部中断引脚PA0与PA1：初始化为下降沿电平触发EXTI0与EXTI1外部中断。

        

        设置NVIC中断优先级分组：

        （1）分组为[4:0],16位抢占优先级，0位响应优先级

        （2）分配优先级数量：EXTI0抢占优先级数量为0，EXTI1抢占优先级的数量为1，既如果同时触发外部中断EXTI0与EXTI1的条件时先执行外部中断EXTI0里的事件再执行后者。

        设置按键Key_0与Key_1的引脚为PA15与PC5：初始化为上拉输出，电平下降沿触发

        创建工程，打开Keli5进行编程：

宏定义两个按键对应的引脚，创建第二个中断触发的条件变量

#define Key_0   HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA,GPIO_PIN_15)
#define Key_1   HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_5)

int num=0;

编写EXTI中断回调函数

void  HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  switch (GPIO_Pin)
	{
	  case GPIO_PIN_0:	
				HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_RESET);
		    HAL_Delay(100);
		    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_SET);
		 break;
		
		case GPIO_PIN_1:
			  HAL_GPIO_WritePin(GPIOD,GPIO_PIN_2,GPIO_PIN_RESET);
		    HAL_Delay(100);
		    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_8,GPIO_PIN_SET);
		    num = 1;
		 break;
	}
}

编写自建逻辑

		/*这里的自检逻辑
		按下Key_0,再按下按键Key_1,观察是那个灯亮，按照EXTI0先执行EXTI1后执行的逻辑，
		正常结果：会出现LED_0发生闪烁而不是LED_发生闪烁，
		错误结果：如果是EXTI1先执行的话当LED_1闪烁完后再次重复按键操作会出现LED_0长亮
		*/
		if(Key_0 == RESET)
		{
			
			if(num ==1&&Key_1 == 0)
			{
			while(1)
			{
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_RESET);
			}
	   	}
			
			else 
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_RESET);
			HAL_Delay(10);
				
		}
		if(Key_0 == RESET)
		{
			if(Key_1 == 0)
			HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_1,GPIO_PIN_RESET);
		}