STM32开发必备知识篇：STM32中断类型

       从今年2022年开通CSDN博客，已经快300天了，期间写了很多FPGA方面的博客，主要有两个专栏：“FPGA基础知识”和“FPGA 20个例程”。

       有同学也私信问为什么迟迟不更新STM32呢，这里有几个原因得说明下：1.想集中精力去撰写完成一个专栏主要是“FPGA 20个例程”再去搞下一个，“FPGA基础知识”和“STM32开发必备知识”专栏后期会不断更新，但写“FPGA 20个例程”确实耗费了笔者太多的精力和时间，因为不想水博客写一些毫无营养价值的东西，而是想把它做好做细，这可能是一个工科男的执念吧，所以还请大家多些耐心；2.笔者每天在忙碌工作之余也在不断充电提高，为了写好下一个专栏“STM32 10个项目”。实不相瞒在写“FPGA 20个例程”中，几乎把市面的野火、原子、特权、Crazybingo、米联客、小梅哥、明德扬都看了一遍甚至代码还原了一遍，集各家所长，做到重点突出、由易到难、循循渐进，为了写好“FPGA 20个例程”专栏也动手画了一块Artix7开发板方便代码的上板调试，同样地虽然用了4年STM32做了很多转产项目，但是感觉要写好“STM32 10个项目”还需要花时间去把很多细节搞清楚，才可能写出有深度的好博客；3.实话实说笔者没有选好一个合适的硬件平台去写“STM32 10个项目”，STM32常见的F103、F405、F407、F429系列等都有用过，但是选哪一款芯片来写呢，思来想去还是选择STM32F103RCT6这款芯片作为“STM32 10个项目”的硬件平台，虽然不是最好最贵的，但是ST的这款芯片却如同Xilinx的XC7A35T-2FTG256一样经典，如图1所示是笔者刚从立创商场买的10颗STM32F103RCT6芯片，现在也在看之前做过项目的原理程图，和野火、原子、硬石、安抚莱等的教程，还是集各家所长重新画板，把这颗芯片的性能完全释放出来，虽然只有64个引脚，但是麻雀虽小五脏俱全，在硬件电路设计上做到稳定可靠，笔者首先打算把USBTMC、CAN、RS232都引出来，同时外挂一个电阻屏这样就可以把FreeRTOS和Emwin做到专栏里，然后加上1个蜂鸣器，2个外接按键和2个编码器，接着加上1个eeprom（为了掉电保存屏幕数据等）和1个flash（为了掉电保存开机logo和界面图标等），最后引出1个UART和1个SPI接到Artix7开发板的Cmos摄像头处，为了后期写STM32和FPGA联合项目专栏做好硬件准备，把板子做得精致小巧，目测需要4层至于具体引脚分配，还得花时间参考下其他的原理图和芯片手册，总共一次性投出10块STM32F103RCT6板子这样就有了产品的雏形（会留有5块板作为福利赠送给CSDN的铁粉吧）；4.FPGA方面，在结束“FPGA 20个例程”专栏，还有“高速接口设计“和“数字信号处理“等专栏，STM32方面，虽然现在还没有想好，但是后期会把这块STM32F103RCT6板和XC7A35T-2FTG256板结合在一起，做一些非常接近实战项目的例程，同时充分考虑到了稳定性和可靠性，通过这些实践可以帮助大家用STM32和FPGA快速搭建出整个产品的软件架构。

图1 STM32F103RCT6实物

       既然是“STM32开发必备知识“就请把基础夯实，如同写“FPGA基础知识”笔者也把常用IP核的仿真、模块划分等知识说明清楚，用了4年STM32芯片个人觉得，有几样东西是在做STM32开发前所必须要掌握的，学习任何知识都有过程，需要循循渐进把握住规律，才可能层层深入。而对于STM32开发：STM32的中断系统、时钟分配、定时器、ADC模数转换、DMA数据搬运、GPIO EXTI中断类型等这些请必须掌握，然后再把C语言的数据结构、函数指针捡起来，相信这些大家在上学的时候多多少少都有学习，这些都搞明白了再动手实践“STM32 10个项目”，这10个项目的选取也费尽心思，一方面参考了市面经典的开发板例程，另一方面更站在了4年产品研发的角度，笔者会把项目的源码开源方便大家后期学习实践。

        什么叫做中断，如图2所示是一个日常生活中的中断，比如现在大家在看电视，然后这时候电话响了，我们要去接电话显然电话比看电视这件事紧急，接完电话这时候又要去取快递了，下楼取快递以后再回来继续看电视，那类似的什么是处理器中的中断呢？

      在处理器中，中断是一个过程，即CPU在正常执行程序的过程中，遇到外部/内部的紧急事件需要处理，暂时中止当前程序的执行，转而去为处理紧急的事件，待处理完毕后再返回被打断的程序处继续往下执行。中断在计算机多任务处理，尤其是即时系统中尤为重要，如uCOS和FreeRTOS等。

 图2 日常生活中的中断

        如图3所示是STM32中断处理过程，很多培训机构或者网络教程会说得很复杂繁琐，在这里其实大家只需要记住CPU进入中断前要做什么，退出中断后要做什么即可。

进入中断前

1. 处理器自动保存现场到堆栈里

2. {PC, xPSR, R0-R3, R12, LR}

3. 一旦入栈结束，ISR便可开始执行

4. 晚到的中断会重新取ISR地址，但无需再次保存现场

退出中断后

1. 中断前的现场被自动从堆栈中恢复

2. 一旦出栈完成，继续执行被中断打断的指令

3. 出栈的过程也可被打断，使得随时可以响应新的中断， 而不再进行

4. 现场保存

 图3 STM32中断处理过程

         如图4所示以STM32F0为例，是STM32F0中断的体系结构，在这里以Cortex-M0内部产生的中断，通常叫做“异常”，而外设产生的中断，通常就叫做“中断”，注意到对于外部产生的中断不管是串口、定时器、IIC还是EXTI GPIO都由一个叫做NVIC即“嵌套向量中断控制器”来管理，NVIC的主要功能可以概括为：1. 中断管理；2.支持异常及中断向量化处理；3.支持嵌套中断。

  图4 STM32F0中断的体系结构

1. 中断管理

       Cortex-M0处理器中，每一个外部中断都可以被使能或者禁止，并且可以被设置为挂起状态或者清除状态。处理器的中断可以电平的形式的，也可以是脉冲形式的，这样中断控制器就可以处理任何中断源，如图5所示是Cortex-M0处理器中的NVIC常用寄存器地址，例如ISER表示对一个中断的使能、ICER表示对一个中断的禁止、ISPR表示一个挂起寄存器的设置、ICPR表示清除挂起寄存器、IPR0-7表示对一个中断源优先级的配置。

图5 Cortex-M0处理器的NVIC常用寄存器地址

2.支持异常及中断向量化处理

         如图6所示是Cortex-M0处理器的中断和异常向量表，Cortex-M0内核可以处理15个内部异常，和32个外部中断。STM32F051实际上只使用了6个内部异常和28个外部中断。当异常或中断发生时，处理器会把PC设置为一个特定地址，这一地址就称为异常向量。每一类异常源都对应一个特定的入口地址，这些地址按照优先级排列以后就组成一张异常向量表。  向量化处理中断的好处    统的处理方式需要软件去完成。采用向量表处理异常，M0处理器会从存储器的向量表中，自动定位异常的程序入口，从发生异常到异常的处理中间的时间被缩减。

图6 Cortex-M0处理器的中断和异常向量表

        中断和异常的区别： 中断是微处理器外部发送的，通过中断通道送入处理器内部，一般是硬件引起的，比如串口接收中断，而异常通常是微处理器内部发生的，大多是软件引起的，比如除法出错异常，特权调用异常等待。不管是中断还是异常，微处理器通常都有相应的中断/异常服务程序，如图7所示是Cortex-M0处理器的NVIC中断编号，大家可以看到1-15即Cortex-M0内部的异常，16以上为外设的中断。

图7 Cortex-M0处理器的NVIC中断编号

3.支持嵌套中断

       如图8所示是Cortex-M0处理器的优先级配置STM32F0中断的优先级，不同优先级的中断同时发生，优先处理优先级编号较小的那个同样优先级的中断同时发生，中断向量号较小的那个优先响应： 3个固定的优先级，都是负值不能改变 ；4个可编程优先级，用两个bit位表示，00，01，10，11 ；优先级越小优先级越高

图8 Cortex-M0处理器的优先级配置