手把手教你开发stm32——中断（基于hal库）

1.中断的基本介绍

1.1.中断的基本概念

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/内部的紧急时间需要处理，暂时中止当前程序的执行，转而去处理紧急的时间，等待紧急事件处理完毕后再返回被打断的程序处继续往下执行。
举例来说就是，当你在看电视的时候，电话突然响了，那么你就会暂停看电视这一行为，转而去接电话，而接电话这一行为就是我们日常生活中的中断现象。
中断可以提高CPU的效率，同时对突发事件做出实时处理。实现程序的并行化，实现嵌入式系统进程之间的切换。

1.2.中断的处理过程

中断的处理过程包括进入中断和退出中断
进入中断过程中，处理器会自动保护现场，将进入中断前的各个寄存器的数值压入栈中，进行现场保护；处理器完成中断程序以后，会返回主程序的运行中，处理器会从栈中将保护的数值重新拿出，执行出栈操作，从而回到正常的处理器执行过程中。

1.3.stm32f1系列中断体系结构

上图即为stm32f1系列中断体系结构，其中NVIC为嵌套向量中断控制器，位于cortex-M3内核之中，是arm公司设计的，专门用于管理中断的控制器，对于所有的内核中断，包括复位、总线错误、滴答定时器等，以及所有的外部中断，包括EXTI外部中断、串口中断、定时器中断等等都是通过NVIC来进行控制的。我们第二节来详细介绍NVIC嵌套向量中断控制器。

2.中断向量控制器

NVIC主要有以下三个功能

• 中断管理
• 支持异常及中断向量化处理
• 支持嵌套中断

2.1.中断管理

cortex-M3支持256个中断（通过8个寄存器来控制，每个寄存器32位。刚好支持256个中断）。其中包括16个内核中断和240个外部中断。但是stm32f1并没有使用cortex-M3的所有中断，而是只使用了一部分，另外的部分进行保留。
在cortex-M3处理器中，每个外部中断都能够被使能或者禁止，并且可以被设置为挂起状态或者清除状态。

2.2.中断和异常向量表

CM3内核支持256级中断，stm32f1虽然没用这么多中断，但是stm32f1中的中断也有很多。当中断发生时，如何快速相应中断就成为了一件非常重要的事情。
我们知道，CPU的程序运行到哪个地方，都是通过指令地址计数器PC控制的，当PC指向哪个地方，哪个地方的程序就会进行运行。所以这样就为中断的响应提供了一个思路。
所以每当异常或者中断放生时，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。每一类异常源都有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，每次异常出现时，CPU都会快速进行异常向量表的定位，从而进行中断的快速相应。

上图为中断及异常向量表的部分截图。
注：异常一般是指内核中断，中断一般是指外部中断

2.3.嵌套中断

中断嵌套是指，当一个中断程序正在运行时，又有新的更高级的优先级的中断源申请中断，CPU再次暂停当前中断程序，转而去处理新的中断程序，处理完成后依次返回。

上图就为中断嵌套程序的响应过程。

如果要介绍中断嵌套，那么就要提到中断优先级，其中中断优先级包括抢占优先级和响应优先级，抢占优先级在前，响应优先级在后。在NVIC中有一个专门的寄存器：中断优先级寄存器NVIC_IPRx用来配置外部中断的优先级，IPR的宽度为8位，原则上可以可配置255级优先级，但是，CM3芯片都会精简设计，只使用IPRx中的高4位。
在IPR中的4位，又分为抢占优先级和响应优先级，这两个优先级各占及各位又要根据SCB->AIRCR中的中断分组设置来决定，在一个项目中，当优先级分组确定以后，整个工程项目都要使用这个优先级分组，不再改变。

中断优先级总结

• 抢占优先级的级别高于响应优先级。而数值越小所代表的优先级越高。同一时刻发生的中断，优先处理优先级较高的中断。
• 高优先级的抢占优先级是可以打断正在进行的低抢占优先级中断的。而抢占优先级相同的中断，高优先级的响应优先级不可以打断低响应优先级的中断。
• 抢占优先级相同就看响应优先级，同样数值越小优先级越高。
• 如果两个中断的抢占优先级和响应优先级都是一样的话，则看哪个中断先发生就先执行。如果同时发生则优先处理编号较小的那个。

3.外部中断控制器

stm32有很多的外部中断，我们以GPIO的外部中断（EXTI）为例，EXTI一般用于控制由GPIO口高低电平变化而引发的外部中断。

3.1.EXTI（Extern Interrupt）外部中断

• EXTI可以监测指定GPIO口的电平信号，当其指定的GPIO口产生电平变化时，EXTI将立即向NVIC发出中断申请，经过NVIC裁决后即可中断CPU的主程序，使CPU执行EXTI对应的中断程序。
• 支持的触发方式：上升沿、下降沿、双边沿、软件触发
• 支持的GPIO口：所有GPIO口，但相同的Pin不能同时触发中断。
• 通道数：16个GPIO_Pin，外加PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒、以太网唤醒。
• 触发响应方式：中断事件响应。

3.2.EXTI基本结构

每个GPIO都有16根数据线连接出来，但是，不可能每个GPIO口都要接入到EXTI控制器中，所以会经过AFIO的中断引脚选择，这个AFIO我们后续再继续说，所以通过这个中断引脚选择，以后，就可以将每个GPIO组选择到的信号线连接到EXTI中，并且加上PVD、RTC、USB、ETH这四个信号线就组成EXTI的20个输入信号。这20个输入信号经过EXTI以后就可以分成两个部分，一部分通向NVIC用于引发中断，另一部分可以通过20根数据线进入其他外设来引发触发事件响应。

3.3.AFIO中断引脚选择器详解

由于不可能每个GPIO口都接入到EXTI控制器中，所以会经过AFIO中断引脚选择，这个AFIO主要是用于引脚复用功能的选择和重定义。在stm32中，AFIO主要完成两个任务：复用功能引脚重映射、中断引脚选择。
下面是AFIO的基本结构：

从图中我们可以看到，每个GPIO组的相同编号的IO口是无法实现同时中断的，所以我们上面说所有的GPIO口，相同的Pin无法同时触发中断，这一点编程的时候要注意。

3.4.EXTI外部中断/事件框图

• 首先通过①来进行输入线电平的变化；
• 通过②边沿检测电路来检测上升沿或者下降沿或者上升、下降沿都可以产生中断（本文前面提到过，上升沿、下降沿或者双边沿都可以产生中断）；
• 通过③这个或门来检测，因为不光有GPIO电平的变化，还有就是通过软件或者事件来进行的触发，这两个触发方式只要有一个触发，就会通过或门进入；
• 通过⑤挂起请求寄存器来决定是否将中断申请挂起，如果有优先级高的中断正在执行的时候，挂起寄存器就会将此次申请的中断记录下来并且挂起，如果优先级高的中断响应完成后，就可以执行挂起中断中优先级最高的中断。
• 通过④中断屏蔽寄存器来确定此次中断是否被屏蔽，如果中断未屏蔽，那么就会将信号传递到NVIC中断控制器中来响应此次中断。
• 或者通过⑥来触发其他硬件设备来完成必要的动作。

4.外部中断控制LED灯亮灭代码实现

4.1.cubemx配置

cubemx的配置和原来GPIO的配置是相同的，不同之处在于引脚的配置和中断的配置，具体不同点如下：

1. 配置端口
   
2. 配置NVIC
   

4.2.按键中断具体代码实现

以上就是通过PA2口的外部中断来实现PA1口LED灯亮灭的具体函数，可以动手来试一试。

5.EXTI的相关寄存器（了解即可）

和EXTI有关的寄存器主要有以下几个寄存器

• 中断屏蔽寄存器（EXTI_IMR）
• 事件屏蔽寄存器（EXTI_EMR）
• 上升沿触发选择寄存器（EXTI_RTSR）
• 下降沿触发选择寄存器（EXTI_FTSR）
• 软件中断事件寄存器（EXTI_SWIER）
• 挂起寄存器（EXTI_PR）
  由于EXTI有19个外部线连接（包括16个GPIO组）、PVD、RTC、USB（互联型产品还包括以太网唤醒），所以每个EXTI寄存器的位都是由19个位组成的。

5.1.中断屏蔽寄存器

中断屏蔽寄存器主要是用来屏蔽来自线x上的中断请求的。

如果将中断屏蔽寄存器上的对应位置0，则该位上的中断请求就会被屏蔽，那么中断请求就无法输送到NVIC。

5.2.事件屏蔽寄存器

事件屏蔽寄存器的作用和中断屏蔽寄存器的作用相似，都是用来屏蔽中断的，但是事件屏蔽寄存器是用来屏蔽线x上的事件的。同样，置0则屏蔽中断。

5.3.上升沿触发选择寄存器和下降沿触发选择寄存器

这两个寄存器主要是用来进行外部边沿唤醒中断使用的，当选择下降沿或者上升沿触发外部中断的时候，这两个寄存器就会进行配置。

5.4.软件中断事件寄存器

软件中断事件寄存器主要是和软件中断事件有关的寄存器，我们平常不太使用这一寄存器，了解即可。

5.5.挂起寄存器

挂起寄存器主要是用来进行中断挂起的，我们前面提到过，如果优先级高的中断正在执行，当优先级较低的中断发出信号的时候，是无法打断高优先级的中断的，因此需要将此中断暂时进行挂起，这个中断挂起寄存器就是用来进行中断挂起的。

以上就是关于中断的相关知识点，欢迎大家批评指正并进行补充。