浅谈STM32中断模块

前言，本文基于STM32F407VET6.(多图警告)

一、概要

二、中断概念

1.什么是中断？

1.1 中断概念

  中断指处理机处理程序运行中出现的紧急事件的整个过程.程序运行过程中，系统外部、系统内部或者现行程序本身若出现紧急事件，处理机立即中止现行程序的运行，自动转入相应的处理程序(中断服务程序)，待处理完后，再返回原来的程序运行，这整个过程称为程序中断;

1.2 中断的作用

   1.速度匹配，提高机器系统效率。 系统中处理机的工作速度远高于外围设备的工作速度。通过中断可以协调它们之间的工作。当外围设备需要与处理机交换信息时，由外围设备向处理机发出中断请求，处理机及时响应并作相应处理。不交换信息时，处理机和外围设备处于各自独立的并行工作状态。
   2. 分时操作，维持系统可靠正常工作。现代计算机中，程序员不能直接干预和操纵机器，必须通过中断系统向操作系统发出请求，由操作系统来实现人为干预。主存储器中往往有多道程序和各自的存储空间。在程序运行过程中，如出现越界访问，有可能引起程序混乱或相互破坏信息。为避免这类事件的发生，由存储管理部件进行监测，一旦发生越界访问，向处理机发出中断请求，处理机立即采取保护措施。
   3. 实时响应，满足实时处理要求。 在实时系统中，各种监测和控制装置随机地向处理机发出中断请求，处理机随时响应并进行处理。
   4. 提供故障现场处理手段，可靠性高。 处理机中设有各种故障检测和错误诊断的部件，一旦发现故障或错误，立即发出中断请求，进行故障现场记录和隔离，为进一步处理提供必要的依据。

1.3 中断执行流程

1. 中断源发生中断请求/内核参数异常信号；
2. 判断是否允许中断和该中断源是否被屏蔽;
3. 优先权排队;
4. 保护现场，关闭中断，保护断点；
5. 根据中断向量表找到相应中断服务入口地址；
6. 执行中断服务函数；
7. 恢复现场；
8. 打开中断。

1.4 中断和异常

异常： 内核自己产生， 如执行指令或者访问寄存器错误， 与内核同步；
中断： 请求事件来自内核外部（如来自片上或外设）， 与内核异步发生。

1.5 中断资源

CM4支持16个异常和240个中断（256个优先级），但是STM32并没有使用CM4的NVIC全部资源。
除了10个内核异常外，STM32F40x还包括82个可屏蔽中断（16个可编程的优先等级）。

2.中断向量和中断向量表

中断向量就是中断处理函数的入口地址，在stm32fxxx.s文件中已经定义好了，所有中断向量在一起就构成了中断向量表。

4.中断的优先级

4.1 中断优先级响应原则

中断优先级：为了及时响应并处理所有中断，系统根据引起中断事件的重要性和紧迫程度，硬件将中断分为若干个级别， 称为中断优先级。

• 抢占优先级（主优先级）—— Preemption Priority
• 响应优先级（子优先级）—— SubPriority

4.2 中断优先级分组

中断优先级有5组选择，其中

• 第0组只有4位用来表示响应优先级，其余三位未使用，因为其只有响应优先级，不能构成中断嵌套。
• 第4组只有4位用来表示抢占优先级，其余三位未使用，此选择为CubeMX库缺省选择。

三、NVIC嵌套向量中断控制器

有如此多的中断信号， CPU如何去控制它呢？即通过NVIC来控制。
NVIC: Nested Vectored Interrupt Controller 即嵌套向量中断控制器，它与内核有很深的“私交”——与内核是紧耦合的，可以实现低延迟的中断处理和晚到中断的高效处理，它具有以下特征：

• 支持嵌套和向量中断
• 自动保存和恢复处理器状态
• 动态改变优先级
• 简化的和确定的中断时间
  

四、外部中断

1.系统结构

• 要产生中断，必须先配置好并使能中断线。根据需要的边沿检测设置 2 个触发寄存器，同时在
  中断屏蔽寄存器的相应位写“1”使能中断请求。当外部中断线上出现选定信号沿时，便会产
  生中断请求，对应的挂起位也会置 1。在挂起寄存器的对应位写“1”，将清除该中断请求。

• 要产生事件，必须先配置好并使能事件线。根据需要的边沿检测设置 2 个触发寄存器，同时
  在事件屏蔽寄存器的相应位写“1”允许事件请求。当事件线上出现选定信号沿时，便会产
  生事件脉冲，对应的挂起位不会置 1。

• 通过在软件中对软件中断/事件寄存器写“1”，也可以产生中断/事件请求。

中断和事件的区别：
事件： 某一信号出现，比如上升沿或者下降沿。
中断： 某一的事件发生，并产生中断，然后跳到相应的中断服务函数中进行相应的处理。

2.原理

2.1 外部中断结构

外部中断分为三个部分：

1. 中断输入， 由GPIO选择器和SYSCFG选择器（系统配置选择器）组成， 由GPIO控制器选择GPIO引脚状态为输入，SYSCFG选择器将相应的GPIO口作为中断总线EXTIn的输入。
2. 中断控制， 由EXTI控制器构成， 其由边沿检测电路，软件中断寄存器， 中断屏蔽寄存器、事件屏蔽寄存器构成， 用于传输中断/事件信号。
3. 中断处理， 由NVIC控制器构成，负责相应中断的处理。

2.2 EXIT控制器

要看懂上图， 我来先了解一下基本的电路元器件：

外部信号先由边沿检测电路检测其类型， 在判断是否为软件中断，判断是否挂起，在由中断、事件屏蔽寄存器来检测中断还是事件， 如果是中断，送入NVIC进行进一步处理，如果是事件， 则进行相应事件的处理方式。

3.中断源和中断通道

中断源： 产生中断的外部事件
中断通道： 传入中断源信号的通道

• 一个中断通道有多个中断源，如EXTI5 ~ EXTI9总线连接着EXTI5_IRQ通道，这里的EXTI5~EXTI9即是中断源，EXTI5_IRQ通道为中断通道。我们处理同一通道多个中断源时，需要判断是那种中断源发生中断，再进行相应处理。
• 中断优先级的概念是针对中断通道而言的， 同一中断通道对应的所有中断源都享有相同的中断优先级。
  
  其中：
• EXTI0 ~ EXTI4分别有自己的独立中断通道。
• EXTI5 ~ EXTI9共享同一个中断通道。
• EXTI10 ~ EXTI15共享同一个中断通道。

4 外部中断控制寄存器

4.1中断屏蔽寄存器 (EXTI_IMR)

4.2事件屏蔽寄存器 (EXTI_EMR)

4.3上升沿触发选择寄存器 (EXTI_RTSR)

4.4下降沿触发选择寄存器 (EXTI_FTSR)

4.5软件中断事件寄存器 (EXTI_SWIER)

4.6挂起寄存器 (EXTI_PR)

4.7EXTI 寄存器映射

5.外部中断向量表

中断向量表是用由一系列中断向量构成的：