STM32F103VET6之中断详解

目录

前言

一、中断和事件的区别

二、功能框图

三、外部中断配置

四、源码分析

总结

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前言

        在嵌入式系统的世界里，微控制器（MCU）是许多应用的核心。要想充分发挥芯片的性能，熟练掌握其中断管理系统是必不可少的。中断，作为MCU与外界交互的重要手段，能够让我们的程序实时响应外部事件，从而提高系统的整体效率和实时性。

        在本文中，我们将深入探讨STM32F103VET6的中断系统，包括其基本概念、工作原理、配置方法以及实际应用案例。通过本文的学习，将能够理解和掌握STM32F103VET6的中断管理，提升你的嵌入式系统设计能力。

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一、中断和事件的区别

        中断：中断是指当CPU执行程序时，由于发生了某种随机的事件（外部或内部），引起CPU暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序（中断服务子程序或中断处理程序），以处理该事件，该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行。其中，引发中断的随机事件被称为中断源。

        事件：在嵌入式系统中，事件本质上就是一个触发信号，用来触发特定的外设模块或核心本身（唤醒），它可以触发中断，也可以不触发。事件只是一个触发信号（脉冲），用于表示某个特定的条件已经发生或满足。事件通常与中断相关，但二者在概念和处理方式上有所区别。

        二者的区别：用一个简单的例子来说明，想象你正在看一本有趣的书，突然电话铃响了。在这个例子中，电话铃响就是一个事件，它打断了你的阅读，需要你做出响应。你可以选择忽略电话继续阅读，也可以选择接听电话。如果你选择接听电话，那么你就响应了这个事件。这个过程类似于中断的处理。中断是一种特殊的事件，当它发生时，系统会立即停止当前的任务，转而处理这个中断。就像你选择接听电话一样，系统会跳转到专门的中断处理程序来处理这个中断。

        中断处理程序就像是一个专门用来接听电话的房间。一旦你进入这个房间，你就不能再继续阅读了，而是专注于电话通话。同样地，当中断处理程序运行时，它会暂停其他任务的执行，专注于处理中断。

        所以事件只是表明发生了某件事情，而中断则需要系统立即响应。在这个例子中，电话铃响是一个事件，你可以选择忽略它；但是当中断发生时，系统必须立即响应，不能选择忽略。可以把事件看作是一个提醒或者通知，而中断则是一种需要立即行动的紧急情况。在嵌入式系统中，这种紧急情况可能是外部设备发出的请求、传感器的信号等等，需要系统立即处理以确保系统的实时性和稳定性。

二、功能框图

        外部中断EXTI：外部中断是指当某种外部事件发生时，单片机的中断系统将迫使CPU暂停正在执行的程序，转而去进行中断事件的处理。例如，在单片机实时地处理外部事件时，如果某个外部事件发生（如按键输入、定时器溢出等），系统会暂停当前执行的程序，跳转到相应的中断处理程序去处理这个外部事件。处理完中断事件后，程序会返回到被中断的位置继续执行。

        由外部中断/事件控制器框图能看出，主要分为两大功能，控制中断和事件的产生。图中的双向箭头上的斜杠，旁边标注20代表有20个线路，可以将其配置成中断源或者事件源，但是通道19只适用于互联型产品，对于非互联型产品只有19个线路。

        首先来看中断时如何产生的，从右至左看，首先时输入线，对于非互联型产品，有19个中断/事件输入线，可以通过配置任意一个可用的GPIO作为输入线，输入线确定之后，来到边沿检测电路，可以通过配置相关寄存器来选择上升沿触发、下降沿触发或者上升/下降均触发；然后来到一个或门电路，一端来自边沿检测电路，另一端来自软件中断事件寄存器。那什么是软件中断呢？

        软件中断：软件中断是一种由软件程序触发的中断，通常用于系统调用、进程切换、异常处理等任务。与硬件中断不同，软件中断不是由硬件设备触发的，而是由软件程序主动发起的。软件中断需要在程序中进行调用，其响应速度和实时性相对较差，但是具有灵活性。

        举个例子，假如你正在家里看电视，突然电话铃响了。

        硬件中断就像是电话铃响，它是由电话设备（硬件设备）自动触发的，打断了你正在做的事情（看电视），需要你立即响应（接电话）。电话铃响的优先级是很高的，因为它是一个紧急的事件，需要你立即处理。

        软件中断就像是你想换一个电视频道，这是你自己主动发起的一个请求（软件触发），你需要按下遥控器上的按钮（执行相应的代码），然后电视才会切换到新的频道（处理中断事件）。这个过程的优先级相对较低，因为它不是紧急事件，你可以在任何时候进行频道切换，而且即使稍微延迟一下也不会造成太大的影响。

        所以，硬件中断和软件中断的主要区别在于触发方式（自动触发还是主动发起）、优先级（紧急程度）和实时性（处理速度）。

        回到框图中，或门电路任意一端有1就输出1，所以当检测到外部线路有电平变化时，就输出1，紧接着来到中断挂起寄存器，当在外部中断线上发生了选择的边沿事件，该位被置’1’。将中断屏蔽器配置为开放来自外部线路上的中断请求，两端都置位时，与门电路输出1，最后输出到NVIC中，实现中断的产生，在中断服务函数中执行相应的操作。

        事件的产生也是同样的原理，通过边沿检测电路检测外部线路电平变化，经过或门电路输出，将事件屏蔽器置位，开放来自外部线路的事件请求，最后输出到脉冲发生器进行控制。

三、外部中断配置

外部中断的配置总结为以下几个步骤：

1. 配置需要产生的中断的GPIO
2. 开启AFIO的时钟，将对应GPIO重映射到相应的外部中断信号源
3. 配置外部中断的触发模式
4. 配置中断分组
5. 编写中断服务函数
6. 清除中断标志位

这里所提及的AFIO是什么呢？

        在STM32中，AFIO（Advanced Function Input/Output）是指GPIO端口的复用功能。GPIO除了用作普通的输入输出（主功能）外，还可以作为片上外设的复用输入输出，如串口、ADC等，这些就是复用功能。大多数GPIO都有一个默认复用功能，有的GPIO还有重映射功能。重映射功能是指把原来属于A引脚的默认复用功能转移到了B引脚进行使用，前提是B引脚具有这个重映射功能。当把GPIO用作EXTI外部中断或使用重映射功能的时候，必须开启AFIO时钟。而在使用默认复用功能的时候，则不必开启AFIO时钟。

四、源码分析

exti.c

#include "exti.h"

static void KEY1_NVIC_Config()
{
		//配置中断分组为第2组
        NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
		//配置中断源、抢占优先级、子优先级
        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);	
}

void KEY_EXTI_Cogfig()
{
		// 使能GPIOA时钟、AFIO时钟
        RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
		RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
			
		GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
		//PA0配置
		GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
		GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING;
		GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

		//配置PA0重映射到外部中断输入线
        GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);
	
        //配置外部中断的通道，触发方式
		EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
		EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
		EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
		EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
		EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
		
		//外部中断初始化
        EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

        //配置NVIC分组
        KEY1_NVIC_Config();		

}

        首先来看外部中断配置函数KEY_EXTI_Cogfig()，先打开GPIOA和AFIO的时钟，因为配置GPIO重映射需要用到外部中断配置寄存器 1(AFIO_EXTICR1)，所以必须打开AFIO的时钟；然后将对应GPIO端口配置成浮空输入，端口电平的到底取决于外部设备输入的电平，然后调用GPIO_EXTILineConfig()函数将PA0重映射到外部中断输入线，右键跳转到定义处。

void GPIO_EXTILineConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource)
{
  uint32_t tmp = 0x00;
  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_GPIO_EXTI_PORT_SOURCE(GPIO_PortSource));
  assert_param(IS_GPIO_PIN_SOURCE(GPIO_PinSource));
  
  tmp = ((uint32_t)0x0F) << (0x04 * (GPIO_PinSource & (uint8_t)0x03));
  AFIO->EXTICR[GPIO_PinSource >> 0x02] &= ~tmp;
  AFIO->EXTICR[GPIO_PinSource >> 0x02] |= (((uint32_t)GPIO_PortSource) << (0x04 * (GPIO_PinSource & (uint8_t)0x03)));
}

        在此函数内部，首先会进行参数检查。如果GPIO_PortSource和GPIO_PinSource符合要求，则会继续执行配置操作。函数会使用位运算和位移操作来设置AFIO->EXTICR寄存器。这个寄存器用于配置每个外部中断线路的源。我们配置PA0引脚作为外部中断输入，并选择TIM3作为触发源。

具体来说，函数会执行以下操作：

1. 计算要操作的位数（由GPIO_PinSource & (uint8_t)0x03确定）。PA0引脚对应的是第0位。
2. 将0x0F左移对应的位数，得到一个掩码，用于设置相应的位。
3. 清除该位的原有值（使用按位与操作符）。
4. 将GPIO的端口源（例如GPIOA）左移对应的位数，得到一个新的值。
5. 将新的值与清除原有值的掩码进行按位或操作，将新的值写入对应的位。

        这样，通过一系列的位操作和位移运算，AFIO->EXTICR寄存器就被配置为预期的值，将PA0引脚映射到外部中断输入。

接下来，通过给EXTI_InitStructure的成员变量赋值，我们设置了以下参数：

1. EXTI_Line：设置为EXTI_Line0，表示我们要配置的是Line0的中断线。
2. EXTI_Mode：设置为EXTI_Mode_Interrupt，表示我们希望将该中断线配置为中断模式。
3. EXTI_Trigger：设置为EXTI_Trigger_Rising，表示我们希望配置为上升沿触发。
4. EXTI_LineCmd：设置为ENABLE，表示我们希望使能该中断线。

然后，我们调用EXTI_Init()函数来初始化外部中断控制器。这个函数会根据传入的参数来配置对应的硬件寄存器。

void EXTI_Init(EXTI_InitTypeDef* EXTI_InitStruct)
{
  uint32_t tmp = 0;

  /* Check the parameters */
  assert_param(IS_EXTI_MODE(EXTI_InitStruct->EXTI_Mode));
  assert_param(IS_EXTI_TRIGGER(EXTI_InitStruct->EXTI_Trigger));
  assert_param(IS_EXTI_LINE(EXTI_InitStruct->EXTI_Line));  
  assert_param(IS_FUNCTIONAL_STATE(EXTI_InitStruct->EXTI_LineCmd));

  tmp = (uint32_t)EXTI_BASE;
     
  if (EXTI_InitStruct->EXTI_LineCmd != DISABLE)
  {
    /* Clear EXTI line configuration */
    EXTI->IMR &= ~EXTI_InitStruct->EXTI_Line;
    EXTI->EMR &= ~EXTI_InitStruct->EXTI_Line;
    
    tmp += EXTI_InitStruct->EXTI_Mode;

    *(__IO uint32_t *) tmp |= EXTI_InitStruct->EXTI_Line;

    /* Clear Rising Falling edge configuration */
    EXTI->RTSR &= ~EXTI_InitStruct->EXTI_Line;
    EXTI->FTSR &= ~EXTI_InitStruct->EXTI_Line;
    
    /* Select the trigger for the selected external interrupts */
    if (EXTI_InitStruct->EXTI_Trigger == EXTI_Trigger_Rising_Falling)
    {
      /* Rising Falling edge */
      EXTI->RTSR |= EXTI_InitStruct->EXTI_Line;
      EXTI->FTSR |= EXTI_InitStruct->EXTI_Line;
    }
    else
    {
      tmp = (uint32_t)EXTI_BASE;
      tmp += EXTI_InitStruct->EXTI_Trigger;

      *(__IO uint32_t *) tmp |= EXTI_InitStruct->EXTI_Line;
    }
  }
  else
  {
    tmp += EXTI_InitStruct->EXTI_Mode;

    /* Disable the selected external lines */
    *(__IO uint32_t *) tmp &= ~EXTI_InitStruct->EXTI_Line;
  }
}

具体来说，此函数可能会执行以下操作：

1. 首先检查参数合法性；
2. 判断是否使能中断，若使能中断就将参数写入对应寄存器
3. 通过读取EXTI_InitStructure.EXTI_Line来决定要配置哪个中断线（在这里是Line0）；
4. 将IMR（屏蔽寄存器）和EMR（事件选择寄存器）中的对应位清零，以清除之前的任何现有配置；
5. 根据EXTI_InitStructure.EXTI_Mode的值（在这里是EXTI_Mode_Interrupt），设置IMR和EMR中对应的中断线位，以将该中断线配置为中断模式；
6. 根据EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger的值（在这里是EXTI_Trigger_Rising），设置RTSR（上升沿触发选择寄存器）和FTSR（下降沿触发选择寄存器）中对应的中断线位，以将该中断线配置为上升沿触发。

        这些操作都是直接针对STM32的硬件寄存器进行的，通过位操作来设置或清除特定的位，从而实现对外部中断控制器的配置。

然后配置NVIC的分组，这里设置为2，意味着2位抢占优先级和2位响应优先级。然后，创建了一个NVIC_InitTypeDef类型的结构体变量NVIC_InitStructure，并设置了以下属性：

• NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;：指定了这个中断通道是EXTI0。
• NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;：设置了抢占优先级为1。抢占优先级高的中断可以打断正在处理的抢占优先级低的中断。
• NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;：设置了响应优先级为1。
• NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;：使能了这个中断通道。

最后，通过NVIC_Init(&NVIC_InitStructure)把以上配置应用到NVIC。

static void KEY1_NVIC_Config()
{
		NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
		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);
	
}

我这里只配置了一个外部中断源，对于中断的分组可以不那么严谨，如果当中断源较多时，我们就需要合理分配优先级来管理中断，具体来说主要遵循

1. 重要优先：对于重要或紧急的中断，应该将其优先级设置为较高，以确保系统能够及时响应和处理这些中断。这样可以避免重要任务被其他中断干扰或延迟。
2. 避免抢占：如果某个中断需要执行一些耗时的操作，应该将其优先级设置为较低，以避免它抢占了其他中断的处理时间。这样可以确保其他中断能够得到及时响应和处理。
3. 平衡性：在配置NVIC分组时，应该考虑各个中断源之间的平衡性。如果某些中断总是同时发生或需要协调处理，可以将它们的优先级设置为相同或相近的水平。这样可以避免某些中断被其他中断长时间地打断或延迟。

        上述一整个流程就完成了外部中断的配置，当外部中断产生时，系统就会停下目前正在处理的事件，转而去执行中断服务函数，执行完成之后再回到主程序继续执行之前搁置的事件。

exti.h

#ifndef __EXTI_H
#define __EXTI_H

#include "stm32f10x.h"

static void KEY1_NVIC_Config(void);
void KEY_EXTI_Cogfig(void);

#endif

中断服务函数

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
	if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0)!=RESET)
	{
        LED_ON;
		EXTI_ClearFlag(EXTI_Line0);
	}
	
}

main.c

int main(void)
{	
    LED_Init();//LED初始化
	KEY_EXTI_Cogfig();//配置外部中断
	while(1)
	{
			
	}
}

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总结

        总而言之，我们需要理解STM32F103VET6的中断系统如何工作，包括中断源，中断优先级，中断处理流程等基本概念。这有助于我们确定何时以及如何使用中断，以最大限度地提高微控制器的效率和性能。其次，我们需要根据实际应用的需求来配置和使用中断系统。例如，我们可以配置不同的中断源和优先级以满足特定的实时性需求，或者使用中断嵌套来处理多个同时发生的中断。我们还可以在中断处理程序中执行特定的任务，例如读取或清除标志位，以控制中断的响应和恢复过程。通过以上知识的学习，我们可以充分利用STM32F103VET6的中断系统来创建高效，实时和可靠的嵌入式应用程序。这不仅可以帮助我们实现复杂的功能，还可以提高系统的性能和响应速度。