STM32-中断

一、中断的基本概念

1. 中断（Interrupt）

   • 中断是CPU在执行当前程序时，被外部或内部事件打断的过程。
   • 中断发生后，CPU会暂停当前任务，转而执行中断服务例程（ISR），处理中断事件。

2. 中断源（Interrupt Source）

   • 中断源是触发中断的事件来源，可以是外部信号（如GPIO引脚状态变化）、内部事件（如定时器溢出）或系统事件（如错误）。

3. 中断向量（Interrupt Vector）

   • 中断向量是中断服务例程的入口地址。
   • STM32的中断向量表存储在Flash的起始地址（通常是0x08000000），包含所有中断的入口地址。

4. 中断地址

   • 中断地址是中断向量表中存储的地址，指向具体的中断服务例程。
   • 例如，外部中断0的中断地址是中断向量表中对应EXTI0的地址。

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二、中断优先级

1. 中断优先级的作用

   • 当多个中断同时发生时，CPU需要根据优先级决定先处理哪个中断。
   • STM32的中断优先级由NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）管理。

2. 优先级分组

   • STM32支持中断优先级分组，将优先级分为抢占优先级和子优先级。
   • 抢占优先级高者可以打断优先级低的中断。
   • 子优先级用于同一抢占优先级下的中断排序。

3. 优先级配置

   • NVIC的优先级寄存器（IPR）用于设置中断的优先级。
   • 优先级数值越小，优先级越高。

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三、外部中断模块（EXTI）的使用场景

1. 按键输入

   • 当按键按下或释放时，GPIO引脚状态变化触发外部中断，进入中断服务例程处理按键事件。

2. 传感器信号检测

   • 例如，使用外部中断检测传感器的脉冲信号或状态变化。

3. 通信信号同步

   • 在串行通信中，外部中断可用于同步接收信号的起始位或停止位。

4. 紧急事件处理

   • 当检测到异常信号（如过流、过压）时，通过外部中断快速响应。

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三、模块知识点

一、NVIC中断优先级分组概述

NVIC是STM32的中断控制器，用于管理中断的优先级和响应顺序。STM32支持中断优先级分组，允许开发者根据实际需求分配抢占优先级和响应优先级的位数。这种分组机制可以优化中断的响应效率和系统的实时性能。

1、中断优先级分组的配置

1. 中断优先级分组的作用

   • 资源分配：通过分组，可以为不同的中断源分配不同的优先级，从而区分哪些中断更为重要。
   • 响应时间管理：合理的分组可以优化中断的响应时间，提高系统的实时性能。
   • 系统稳定性：避免优先级倒置的问题，保证系统运行的稳定性。

2. 优先级分组的配置方式

   • STM32的中断优先级分组通过NVIC的应用中断与复位控制寄存器（AIRCR）的高4位进行配置。

   • 根据配置的不同，优先级分组可以分为以下几种：

     分组	AIRCR[10:8]	抢占优先级位数	响应优先级位数	抢占优先级级别	响应优先级级别
     0	111	0位	4位	1级	16级
     1	110	1位	3位	2级	8级
     2	101	2位	2位	4级	4级
     3	100	3位	1位	8级	2级
     4	011	4位	0位	16级	1级

   • 说明：

     • 抢占优先级越高（数值越小），中断可以打断其他低优先级中断的执行。
     • 响应优先级在抢占优先级相同时起作用，决定中断的执行顺序。

3. 配置函数

   • NVIC的优先级分组可以通过NVIC_PriorityGroupConfig()函数设置。例如：

     NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 设置为分组2
     

2、中断优先级的设置

1. 中断优先级寄存器（IPR）

   • 每个中断源都有一个对应的IPR寄存器，用于设置中断的优先级。
   • 优先级数值越小，优先级越高。

2. 设置函数

   • 使用HAL_NVIC_SetPriority()函数设置中断优先级。例如：

     HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2, 1); // 抢占优先级为2，响应优先级为1
     

3. 使能中断

   • 使用HAL_NVIC_EnableIRQ()函数使能中断。例如：

     HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn); // 使能EXTI0中断
     

3、中断优先级的使用场景

1. 实时性要求高的中断
   • 高抢占优先级的中断可以打断低优先级中断的执行，适合处理实时性要求高的任务。
2. 多中断系统
   • 在多中断场景下，合理的优先级分配可以避免优先级倒置，确保系统稳定运行。

4、完整示例

以下是一个完整的代码示例，展示如何配置NVIC的优先级分组和中断优先级：

#include "stm32f10x.h"

void NVIC_Config(void)
{
    // 设置优先级分组为分组2：2位抢占优先级，2位响应优先级
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

    // 配置EXTI0中断优先级：抢占优先级为1，响应优先级为1
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

int main(void)
{
    // 初始化NVIC配置
    NVIC_Config();

    while (1)
    {
        // 主循环
    }
}

总结

1. NVIC的优先级分组：通过AIRCR寄存器的高4位配置，支持5种分组方式。
2. 中断优先级设置：通过IPR寄存器设置抢占优先级和响应优先级。
3. 配置函数：使用NVIC_PriorityGroupConfig()设置分组，使用HAL_NVIC_SetPriority()设置优先级。

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二. EXTI功能概述

EXTI（外部中断/事件控制器）是STM32中用于检测GPIO引脚电平变化并触发中断或事件的模块。它支持以下功能：

• 支持所有GPIO口：任意GPIO引脚都可以配置为外部中断。
• 触发方式：支持上升沿、下降沿、双边沿或软件触发。
• 通道数：支持16个GPIO引脚（EXTI0~EXTI15），外加PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒等。
• 响应方式：中断响应（执行中断服务函数）或事件响应（触发其他外设操作）。

1. 为什么相同的Pin不能同时触发中断？

在STM32中，EXTI模块通过AFIO（复用功能引脚选择器）将GPIO引脚连接到中断通道。由于EXTI只有16个通道（EXTI0~EXTI15），而STM32有多个GPIO端口（如GPIOA、GPIOB、GPIOC等），因此每个通道只能连接一个引脚。

例如：

• PA0、PB0、PC0等引脚都对应EXTI0通道，但只能选择其中一个引脚连接到EXTI0。
• 如果需要多个中断引脚，必须选择不同Pin号的引脚（如PA0和PB1），否则会产生冲突。

AFIO的作用是选择GPIO引脚并将其映射到EXTI通道，因此在配置中断时，需要通过AFIO指定具体引脚。

2. EXTI配置步骤

步骤1：使能时钟

使能GPIO和AFIO的时钟：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

步骤2：配置GPIO

将GPIO引脚配置为输入模式（如浮空输入、上拉输入）：

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 上拉输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

步骤3：连接GPIO到EXTI

通过AFIO将GPIO引脚映射到EXTI通道：

GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0); // 将PA0映射到EXTI0

步骤4：配置EXTI

设置EXTI的触发方式（上升沿、下降沿等）并使能中断：

EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling; // 下降沿触发
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

步骤5：配置NVIC

设置中断优先级并使能中断：

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

步骤6：编写中断服务函数

在中断服务函数中处理中断事件并清除中断标志：

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET)
    {
        // 处理中断事件
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0); // 清除中断标志
    }
}

4. 注意事项

1. 相同Pin冲突：相同的Pin（如PA0和PB0）不能同时配置为EXTI中断。
2. 中断优先级：合理配置中断优先级，避免优先级倒置。
3. 中断标志清除：在中断服务函数中必须清除中断标志。
4. 共享中断线：对于EXTI9_5和EXTI15_10等共享中断线，需要在中断服务函数中判断具体引脚。

四、中断的配置流程

中断配置涉及多个模块：RCC（时钟）、GPIO（通用输入输出）、AFIO（复用功能）、EXTI（外部中断控制器）和NVIC（中断控制器）。以下是详细步骤：

1. 时钟配置（RCC）

• 使能外设时钟：通过RCC模块使能GPIO、AFIO和EXTI的时钟。
• 示例代码：

  RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
  

2. GPIO配置

• 配置GPIO引脚为中断模式：
  • 设置GPIO引脚为输入模式。
  • 配置引脚的上拉/下拉电阻（根据需要）。
• 示例代码：

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入
  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
  

3. AFIO配置

• 映射中断线：通过AFIO模块将GPIO引脚映射到EXTI的中断线。
• 示例代码：

  GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0); // 将PA0映射到EXTI0
  

4. EXTI配置

• 配置中断触发条件：设置EXTI的中断触发方式（上升沿、下降沿或双边沿）。
• 示例代码：

  EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
  EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0; // 配置EXTI0
  EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; // 中断模式
  EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising; // 上升沿触发
  EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
  EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
  

5. NVIC配置

• 使能中断：通过NVIC使能对应的外部中断。
• 设置中断优先级：根据需求配置中断优先级。
• 示例代码：

  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn; // 配置EXTI0中断
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 抢占优先级
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; // 子优先级
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
  

6. 编写中断服务例程（ISR）

• 在对应的中断服务例程中编写处理逻辑。
• 示例代码：

  void EXTI0_IRQHandler(void)
  {
      if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) // 检查EXTI0是否触发
      {
          // 处理中断事件
          EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0); // 清除中断标志
      }
  }
  

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五、总结

1. 中断的基本概念：中断源、中断向量、中断地址。
2. 中断优先级：抢占优先级和子优先级，通过NVIC配置。
3. 外部中断模块（EXTI）的使用场景：按键检测、传感器信号、通信同步等。
4. 中断配置流程：
   • 使能时钟（RCC）。
   • 配置GPIO为中断模式。
   • 映射GPIO到EXTI（通过AFIO）。
   • 配置EXTI的中断触发方式。
   • 通过NVIC使能中断并设置优先级。
   • 编写中断服务例程（ISR）。

案例：使用外部中断控制LED状态

硬件需求

1. STM32开发板（如STM32F103C8T6）。
2. 一个按键。
3. 一个LED灯。
4. 限流电阻（如330Ω）。
5. 连接线。

电路连接

1. 将按键的一端连接到STM32的一个GPIO引脚（如PA0）。
2. 将按键的另一端连接到地（GND）。
3. 将LED的正极连接到另一个GPIO引脚（如PB0）。
4. 将LED的负极通过限流电阻连接到地（GND）。

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软件目标

1. 配置PA0为外部中断输入。
2. 配置PB0为普通GPIO输出。
3. 当按键按下时，通过外部中断触发ISR，切换LED的状态。

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代码实现

1. 初始化GPIO和外部中断

#include "stm32f10x.h"

void GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    // 使能GPIOA和GPIOB的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

    // 配置PA0为浮空输入（按键连接到PA0）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置PB0为推挽输出（LED连接到PB0）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // 确保LED初始状态为关闭
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0);
}

void EXTI_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 使能AFIO时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);

    // 配置PA0为中断线
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);

    // 配置EXTI0为下降沿触发
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

    // 配置NVIC
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

2. 中断服务例程（ISR）

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) // 检查是否EXTI0触发
    {
        // 切换LED状态
        if (GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == Bit_SET)
        {
            GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 打开LED
        }
        else
        {
            GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // 关闭LED
        }

        // 清除中断标志
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}

3. 主函数

int main(void)
{
    // 初始化GPIO和外部中断
    GPIO_Config();
    EXTI_Config();

    while (1)
    {
        // 主循环为空，所有操作在中断中完成
    }
}

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代码说明

1. GPIO配置：

   • PA0配置为浮空输入，用于按键检测。
   • PB0配置为推挽输出，用于控制LED。

2. 外部中断配置：

   • 将PA0映射到EXTI0。
   • 配置EXTI0为下降沿触发（按键按下时触发）。
   • 通过NVIC使能EXTI0中断。

3. 中断服务例程（ISR）：

   • 检测是否为EXTI0触发。
   • 切换LED的状态（通过读取PB0的状态并取反）。
   • 清除中断标志，避免重复触发。

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运行结果

1. 当按键按下时，LED状态会切换（从亮变灭，或从灭变亮）。
2. 主循环为空，所有操作都在中断服务例程中完成。

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拓展

1. 防抖处理：按键可能会产生抖动，可以通过软件延时或硬件滤波解决。
2. 多按键检测：可以扩展到多个按键，通过配置多个外部中断线（如EXTI1、EXTI2等）。
3. 组合功能：结合定时器中断，实现按键长按和短按的区分。