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【STM32F103笔记】4、中断之外部中断——喂~烧水啦

程序员文章站 2024-02-22 21:22:40
...

这一篇来说一下单片机或者说所有处理器提高运行效率的方法——中断处理，为什么这么说呢，记得我以前看到过一个十分形象的例子，这里我“修饰”一下和大家分享：

小明看着电影突然想喝水，但是水壶里没水了，要烧开一壶水（他不喝冷水的），于是把壶装满水放在炉子上（当然也可以用电热水壶嘛），然后突然精神分裂了：

  • 一个小明每隔10秒就去揭开壶盖看看水有没有开，终于他在第100次揭盖的时候发现，水终于开了，并且也错过了电影的精彩片段，而且他还发现在这段时间他啥也没干；
  • 另一个小明把壶放炉子上就继续看电影去了，然后发现电影不好看，又换了好几部电影，终于找到了想看的；正看着电影，炉子那边传来哨声（现在的话就是热水壶咔哒一下断电的声音），——于是小明暂停电影，赶快去关炉子。

这里的小明相当于处理器，需要不停地处理很多操作，而烧水可以类比一个事件，当事件来临时需要处理器进行处理，但又不需要处理器一直关注这个事件，因为不知道这个事件什么时候会来；

而第一个小明类比于处理器使用不断查询的方法，一旦发现事件来临就采取对应的处理方法，这样处理器大半时间都用在查询事件是否来临上，极大地降低了处理器的效率（干了很多无用功——揭盖子）；

但第二个小明相当于处理器使用了中断进行处理，也就是处理器先设置好相关的中断（把炉子放水上——啊呸，把水壶放炉子上），然后就可以不再操心这个事件，放开了手去处理别的事件；等到事件来领，触发中断，这样就告诉处理器，事件来临需要处理了（水开了去关炉子）；这样一来，在等到事件来临的间隙，就能处理很多事情，大大提高了处理器的效率。

有人要说了，烧水不是大概10分钟嘛，到时候去看一眼就好了；好嘛，今天小明家把原来烧煤球的炉子换成了天然气的炉子，火力猛得很，5分钟不到就烧开了，等到小明10分钟去看的时候，水壶都快烧干了。

也就是说，当处理器不知道事件具体会什么时候来，那么使用定时去查询的话，就可能错过事件，或者事件还没来，需要继续查询。

因此，如果是处理器外部事件的发生，比如引脚电平的变化，或者一个触发信号等等，墙裂推荐使用中断处理。

按键触发外部中断

STM32的每个GPIO引脚都可以配置为外部中断引脚，因此，本篇用笔者的黑色最小系统板来进行说明，因为它自带一个按键，通过这个按键触发引脚的外部中断，并改变LED的亮灭状态。

电路

和上一篇中按键的电路一模一样，PA0为按键输入，按下接地为低电平；同样利用PC13控制的LED来展示按键触发外部中断的效果。
【STM32F103笔记】4、中断之外部中断——喂~烧水啦

中断配置

STM32F103系列使用的Cortex-M3内核，有一个强大的异常（Exception）处理系统，在Cortex-M3的编程手册中（ST官网可以下载，搜索文档编号PM0056，或者名称STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx Cortex®-M3 programming manual）可以了解其异常处理系统，这里的异常包括复位（Reset）、不可屏蔽中断（NMI: NonMaskable Interrupt）、硬件错误（Hard fault）、…，以及用户可以定义使用的中断（Interrupt (IRQ)）。

中断向量

从Cortex-M3内核的异常向量（Exception Vector）表中可以看出：
【STM32F103笔记】4、中断之外部中断——喂~烧水啦
从0x0000地址开始，首先是Initial SP，初始化栈指针的值，然后0x0004地址为Reset，也就是第二篇说明启动方式时对应启动文件中的标号Reset，有兴趣的话可以对照启动文件中的标号去看看，了解下其他异常向量是怎么处理的；

从第16个异常向量IRQ0开始，是通常用户可以定义使用的中断请求向量，也就是说，当某个中断被触发后，程序运行指针会被导向相应的中断向量地址，比如IRQ0触发，PC指针就将指向0x0040这个地址，而这个地址一般会用来存储IRQ0的中断服务程序，这样，PC指针就能进入IRQ0的中服程序，处理中断；

什么，中断服务程序为什么不就放在这个地址？
留给每个中断请求向量的地址空间只有4个字节，写不下一个中服程序的哈哈哈。

中断优先级

那么，既然有这么多中断请求向量，而每个中断向量又将对应各种中断情况，那肯定需要有一个先后顺序了；

Cortex-M3内核的中断优先级又分为两种：

  • preemption priority：抢占优先级，设置值越小级别越高，即当两个不同的中断同时发生时，抢占优先级高的中断优先进行处理；并且，当有中断T1正在处理时，若发生了中断T2，且T2的抢占优先级高于T1的，那么T1的中断处理将被打断，转而执行T2的中断处理程序，等T2的中断处理程序执行完后，再继续执行T1的中断处理程序；
  • subpriority：响应优先级，设置值越小级别越高，当两个抢占优先级相同的中断同时发生时，响应优先级高的中断先进行处理。

Cortex-M3内核通过一个叫做内嵌中断控制器（NVIC: Nested Vectored Interrupt Controller）的东西来控制中断进行控制，在库中提供了响应的操作函数与数据类型，包括NVIC初始化、优先级设置等：
【STM32F103笔记】4、中断之外部中断——喂~烧水啦
上述的异常向量、中断优先级、NVIC等都是Cortex-M3内核的东西，不要与STM32混淆，STM32是因为使用了Cortex-M3内核才具有这些。

外部中断External Interrupt（EXTI：不是exit！）

STM32的每个GPIO都可以配置为外部中断，不同引脚通过不同的中断路径进入中断处理器：
【STM32F103笔记】4、中断之外部中断——喂~烧水啦
可以看到这里使用的PA0，位于EXTI0路径上；需要注意的是，只有EXTI0-EXTI4是单独的中断路径，而EXTI9_5和EXTI15_10都是共用一个路径。同样，在库函数中也提供了外部中断EXTI的相关操作函数。

程序

同样，和用于控制LED的引脚一样，外部中断EXTI0和NVIC控制器也需要进行初始化。

NVIC初始化

库函数中，XX初始化都伴随着XX_InitTypeDef，即提供一个初始化结构体用于设置，然后调用XX_Init()函数将初始化结构体中的设置写入寄存器，完成功能的设置。

NVIC初始化程序：

/**
  * @brief  Configure EXTI0 and set priority
  * @param  None
  * @retval None
  */
void NVICConfig(void)
{
	NVIC_InitTypeDef NVICInitStruct;
	
	// 设置优先级配置方法
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
	
	// 中断通道选择EXTI0，EXTI0_IRQn定义在stm32f10x.h文件中
	NVICInitStruct.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
	// 定义抢占优先级为最高
	NVICInitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
	// 定义响应优先级为最高
	NVICInitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
	// 使能
	NVICInitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init(&NVICInitStruct);
}
外部中断初始化

外部中断初始化包括GPIOA0引脚的初始化以及EXTI0的初始化：

/**
  * @brief  Configure EXTI0 and set priority
  * @param  None
  * @retval None
  */
void PA0ExtConfig(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
	EXTI_InitTypeDef EXTIInitStruct;
	
	// 同时开启GPIOA和AFIO的外设时钟
	// GPIO用作外部中断或者重映射时需开启AFIO时钟，复用功能时则不用
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
	
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	// 不需要设置复用功能，直接设置为上拉输入即可，按键接低电平所以设置为上拉
	// 如果需要使用GPIO的复用功能，则相应的设置GPIO_Mode_AF_xx
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIOInitStruct);
	
	// 设置外部中断源为GPIOA的Pin_0引脚
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);
	
	// PA0的外部中断为EXTI0
	EXTIInitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line0;
	// 模式为外部中断
	EXTIInitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
	// 设置中断触发方式为下降沿触发
	EXTIInitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
	// 使能
	EXTIInitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE;
	EXTI_Init(&EXTIInitStruct);
}
中断服务程序（中断处理程序）

在USER文件夹下有stm32f10x_it.c文件，结尾的it即为interrupt的缩写，这个文件存放中断服务程序，打开文件可以看到里面已经有了一些默认的空函数，当需要用到这些中断功能时，就可以在相应的函数中写入对应的中断处理程序。

在文件结尾，有：

/**
  * @brief  This function handles PPP interrupt request.
  * @param  None
  * @retval None
  */
/*void PPP_IRQHandler(void)
{
}*/

这个被注释的函数PPP_IRQHandler(void)是提供给用户编写外设中断函数用的，比如我们接下来要写的外部中断函数，其中PPP并不能随意填写，这里的名称是和startup_stm32f10x_hd.s文件中设置好的异常向量标号一致的，了解汇编和单片机地址的朋友应该明白为什么，这里可以简要说明一下：

  • 单片机地址一般指的是其内部RAM的地址分配，就像上面的vector table图里一样，地址从0开始递增，在启动文件startup_stm32f10x_hd.s中，按照vector table中的顺序，将内部RAM前面一小部分的地址从0开始分别命名，这样标号__initial_sp就对应了RAM中的0x0000地址，Reset_Handler标号对应0x0004地址，依次类推；
  • 在汇编程序中，可以认为标号代表的就是其所在的地址；
  • 单片机或是处理器内核上电或者复位时，其程序运行指针PC会跳转指向一个固定的地址，一般为0x0000或者RAM开头的某个地址，然后从这个地址开始运行；
  • 而当进入中断（或者异常）时，PC又会跳转到固定的地址，也就是vector table中对应中断的地址，比如STM32某个中断通过它的中断路径，最后触发NVIC控制器的Hard Fault中断，这是PC指针会跳转到Hard Fault对应的地址，也就是图中的0x000C开始运行；
  • 而在启动文件startup_stm32f10x_hd.s中，将这个地址命名为了HardFault_Handler，这样，PC指针就会startup_stm32f10x_hd.s文件中标号为HardFault_Handler的后续程序：
HardFault_Handler\
                PROC
                EXPORT  HardFault_Handler          [WEAK]
                B       .
                ENDP
  • 从而跳转到stm32f10x_it.c文件中的HardFault_Handler()函数，进入死循环（进入死循环是因为函数中默认的处理就是while(1)）：
/**
  * @brief  This function handles Hard Fault exception.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void HardFault_Handler(void)
{
  /* Go to infinite loop when Hard Fault exception occurs */
  while (1)
  {
  }
}

因此，在startup_stm32f10x_hd.s文件中找到EXTI0对应的标号EXTI0_IRQHandler，在stm32f10x_it.c文件中写入中断处理函数，函数名即为标号，和上一篇一样，将LED取反就可以：

/**
  * @brief  This function handles EXTI0(PA0) interrupt request.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
	BitAction status;
	
	if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) == SET)
	{
		status = (BitAction)(1-GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_13));
		GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, status);
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
	}
}

完整程序

main.c：

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "stm32f10x.h"

/* Private functions ---------------------------------------------------------*/
void NVICConfig(void);
void PA0ExtConfig(void);
void PC13LEDConfig(void);

/**
  * @brief  Main body program
  * @param  None
  * @retval None
  */
int main(void)
{
	PC13LEDConfig();
	PA0ExtConfig();
	NVICConfig();
	
	while(1);
}

/**
  * @brief  Configure EXTI0 and set priority
  * @param  None
  * @retval None
  */
void NVICConfig(void)
{
	NVIC_InitTypeDef NVICInitStruct;
	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
	
	NVICInitStruct.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
	NVICInitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
	NVICInitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
	NVICInitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_Init(&NVICInitStruct);
}

/**
  * @brief  Configure EXTI0 and set priority
  * @param  None
  * @retval None
  */
void PA0ExtConfig(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
	EXTI_InitTypeDef EXTIInitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
	
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
	// no need AF mode and dont have AF mode
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIOInitStruct);
	
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);
	
	EXTIInitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line0;
	EXTIInitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
	EXTIInitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
	EXTIInitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE;
	EXTI_Init(&EXTIInitStruct);
}

void PC13LEDConfig(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIOInitStruct;
	
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
	
	GPIOInitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
	GPIOInitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIOInitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOC, &GPIOInitStruct);
}

stm32f10x_it.c中的中断服务程序，添加在PPP_IRQHandler后面就行：

/**
  * @brief  This function handles PPP interrupt request.
  * @param  None
  * @retval None
  */
/*void PPP_IRQHandler(void)
{
}*/

/**
  * @brief  This function handles EXTI0(PA0) interrupt request.
  * @param  None
  * @retval None
  */
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
	BitAction status;
	
	if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) == SET)
	{
		status = (BitAction)(1-GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_13));
		GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, status);
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
	}
}

运行结果

和上一篇中的按键一模一样，只不过处理器通过中断来处理按键，其它时间什么也不用做，而上一篇中需要不停的循环查询按键对应的引脚：
【STM32F103笔记】4、中断之外部中断——喂~烧水啦

完结撒花✿✿ヽ(°▽°)ノ✿

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