【4】STM32·FreeRTOS·中断管理

一、什么是中断

二、中断优先级分组设置

2.1、中断优先级基本概念

2.2、中断优先级分组

2.3、FreeRTOS中断特点

三、中断相关寄存器

3.1、系统中断优先级配置寄存器

3.2、PendSV和Systick中断优先级的配置

3.3、中断屏蔽寄存器

四、FreeRTOS中断管理实验

一、什么是中断

让 CPU 打断正常运行的程序，转而去处理紧急的事件（程序），就叫中断

中断执行机制，可简单概括为三步

1、中断请求：外设产生中断请求（GPIO外部中断、定时器中断等）

2、响应中断：CPU 停止执行当前程序，转而去执行中断处理程序（ISR）

3、退出中断：执行完毕，返回被打断的程序处，继续往下执行

二、中断优先级分组设置

2.1、中断优先级基本概念

ARM Cortex-M 使用了 8 位宽的寄存器来配置中断的优先等级，这个寄存器就是中断优先级配置寄存器，但 STM32，只用了中断优先级配置寄存器的高 4 位 [7:4]，所以 STM32 提供了最大16级的中断优先级

STM32 的中断优先级可以分为抢占优先级和子优先级

抢占优先级：高抢占优先级可以打断正在执行的低抢占优先级中断

子优先级：当抢占优先级相同时，子优先级高的先执行，但是不能互相打断

注意：中断优先级数值越小越优先

2.2、中断优先级分组

一共有 5 种分配方式，对应着中断优先级分组的 5 个组

优先级分组	抢占优先级	子优先级	优先级配置寄存器高 4 位
NVIC_PRIORITYGROUP_0	0 级抢占优先级	0-15 级子优先级	0bit 用于抢占优先级 4bit 用于子优先级
NVIC_PRIORITYGROUP_1	0-1 级抢占优先级	0-7 级子优先级	1bit 用于抢占优先级 3bit 用于子优先级
NVIC_PRIORITYGROUP_2	0-3 级抢占优先级	0-3 级子优先级	2bit 用于抢占优先级 2bit 用于子优先级
NVIC_PRIORITYGROUP_3	0-7 级抢占优先级	0-1 级子优先级	3bit 用于抢占优先级 1bit 用于子优先级
NVIC_PRIORITYGROUP_4	0-15 级抢占优先级	0 级子优先级	4bit 用于抢占优先级 0bit 用于子优先级

在 FreeRTOS 中使用的是 NVIC_PRIORITYGROUP_4，任何其他配置都会使 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 设置与分配给各个外设中断的优先级之间的直接关系复杂化

在 HAL_Init 中，通过调用函数 HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4) 即可完成设置

2.3、FreeRTOS中断特点

1、低于 configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY 优先级的中断里才允许调用 FreeRTOS 的 API 函数

2、建议将所有优先级位指定为抢占优先级位，方便 FreeRTOS 管理（调用函数 HAL_NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PRIORITYGROUP_4) ）

3、中断优先级数值越小越优先，任务优先级数值越大越优先

三、中断相关寄存器

3.1、系统中断优先级配置寄存器

三个系统中断优先级配置寄存器，分别为 SHPR1、SHPR2、SHPR3

SHPR1 寄存器地址：0xE000ED18

SHPR2 寄存器地址：0xE000ED1C

SHPR3 寄存器地址：0xE000ED20

3.2、PendSV和Systick中断优先级的配置

在 xPortStartScheduler() 函数中，将 PendSV 和 SysTick 设置为优先级最低的中断，这个函数在 vTaskStartScheduler() 开启任务调度函数中会调用

/* Make PendSV and SysTick the lowest priority interrupts. */
    portNVIC_SHPR3_REG |= portNVIC_PENDSV_PRI;
    portNVIC_SHPR3_REG |= portNVIC_SYSTICK_PRI;

SHPR3 寄存器地址的定义

#define portNVIC_SHPR3_REG    ( *( ( volatile uint32_t * ) 0xe000ed20 ) )

PendSV 和 SysTick 优先级配置寄存器相对 SHPR3 寄存器的偏移

#define portNVIC_PENDSV_PRI     ( ( ( uint32_t ) configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ) << 16UL )
#define portNVIC_SYSTICK_PRI    ( ( ( uint32_t ) configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY ) << 24UL )

将设置的中断最低优先级左移 4 位作为中断优先级配置寄存器的高 4 位 [7:4] 进行赋值

/* 中断嵌套行为配置 */
#ifdef __NVIC_PRIO_BITS
    #define configPRIO_BITS __NVIC_PRIO_BITS
#else
    #define configPRIO_BITS 4
#endif

#define configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY         15                  /* 中断最低优先级 */
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY    5                   /* FreeRTOS可管理的最高中断优先级 */
#define configKERNEL_INTERRUPT_PRIORITY                 ( configLIBRARY_LOWEST_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )

偏移 4 的定义

#define __NVIC_PRIO_BITS          4        /*!< STM32F4XX uses 4 Bits for the Priority Levels */

所以：PendSV 和 SysTick 设置为最低优先级

设置最低：保证系统任务切换不会阻塞系统其他中断的响应

3.3、中断屏蔽寄存器

三个中断屏蔽寄存器，分别为 PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI

FreeRTOS 所使用的中断管理就是利用的 BASEPRI 这个寄存器

BASEPRI：屏蔽优先级低于某一个阈值的中断，当设置为 0 时，则不关闭任何中断

比如：BASEPRI 设置为 0x50，代表中断优先级在 5~15 内的均被屏蔽，0~4 的中断优先级正常执行

关中断程序示例（中断优先级在 5~15 的全部被关闭）

#define portDISABLE_INTERRUPTS()                  vPortRaiseBASEPRI()

static portFORCE_INLINE void vPortRaiseBASEPRI( void )
{
    uint32_t ulNewBASEPRI = configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY;

    __asm
    {
    /* Set BASEPRI to the max syscall priority to effect a critical
    * section. */
/* *INDENT-OFF* */
    msr basepri, ulNewBASEPRI
    dsb
    isb
/* *INDENT-ON* */
    }
}

#define configMAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY            ( configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY << (8 - configPRIO_BITS) )
#define configLIBRARY_MAX_SYSCALL_INTERRUPT_PRIORITY    5                   /* FreeRTOS可管理的最高中断优先级 */

当 BASEPRI 设置为 0x50 时

在中断服务函数中调度 FreeRTOS 的 API 函数需注意

1、中断服务函数的优先级需在 FreeRTOS 所管理的范围内

2、在中断服务函数里边需调用 FreeRTOS 的 API 函数，必须使用带“FromISR”后缀的函数

开中断程序示例

#define portENABLE_INTERRUPTS()                   vPortSetBASEPRI( 0 )

static portFORCE_INLINE void vPortSetBASEPRI( uint32_t ulBASEPRI )
{
    __asm
    {
        /* Barrier instructions are not used as this function is only used to
        * lower the BASEPRI value. */
/* *INDENT-OFF* */
        msr basepri, ulBASEPRI
/* *INDENT-ON* */
    }
}

FreeRTOS 中断管理就是利用 BASEPRI 寄存器实现的

四、FreeRTOS中断管理实验

本实验会使用两个定时器每 1s 分别打印一段字符串，一个优先级为 4，一个优先级为 6，注意：系统所管理的优先级范围：5~15

将设计两个任务：start_task、task1

两个任务的功能如下

start_task：用来创建 task1 任务

task1：中断测试任务，任务中将调用关中断和开中断函数来体现对中断的管理作用

main.c

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/LCD/lcd.h"
#include "./BSP/KEY/key.h"
#include "freertos_demo.h"

int main(void)
{
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟,168Mhz */
    delay_init(168);                    /* 延时初始化 */
    usart_init(115200);                 /* 串口初始化为115200 */
    led_init();                         /* 初始化LED */
    lcd_init();                         /* 初始化LCD */
    key_init();                         /* 初始化按键 */

    freertos_demo();
}

freertos_demo.c

#include "freertos_demo.h"

/******************************************************************************************************/
/*FreeRTOS配置*/

/* START_TASK 任务 配置
 * 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务
 */
#define START_TASK_PRIO 1            /* 任务优先级 */
#define START_STK_SIZE 128           /* 任务堆栈大小 */
TaskHandle_t StartTask_Handler;      /* 任务句柄 */
void start_task(void *pvParameters); /* 任务函数 */

/* TASK1 任务 配置
 * 包括: 任务句柄 任务优先级 堆栈大小 创建任务
 */
#define TASK1_PRIO 2            /* 任务优先级 */
#define TASK1_STK_SIZE 128      /* 任务堆栈大小 */
TaskHandle_t Task1Task_Handler; /* 任务句柄 */
void task1(void *pvParameters); /* 任务函数 */

/******************************************************************************************************/

/* FreeRTOS例程入口函数 */
void freertos_demo(void)
{
    lcd_show_string(10, 10, 220, 32, 32, "STM32", RED);
    lcd_show_string(10, 47, 220, 24, 24, "Interrupt", RED);
    lcd_show_string(10, 76, 220, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);

    xTaskCreate((TaskFunction_t)start_task,          /* 任务函数 */
                (const char *)"start_task",          /* 任务名称 */
                (uint16_t)START_STK_SIZE,            /* 任务堆栈大小 */
                (void *)NULL,                        /* 传入给任务函数的参数 */
                (UBaseType_t)START_TASK_PRIO,        /* 任务优先级 */
                (TaskHandle_t *)&StartTask_Handler); /* 任务句柄 */
    vTaskStartScheduler();
}

/* start_task */
void start_task(void *pvParameters)
{
    taskENTER_CRITICAL(); /* 进入临界区 */

    /* 初始化TIM3、TIM5 */
    btim_tim3_int_init(10000 - 1, 8400 - 1);
    btim_tim5_int_init(10000 - 1, 8400 - 1);

    /* 创建任务1 */
    xTaskCreate((TaskFunction_t)task1,               /* 任务函数 */
                (const char *)"task1",               /* 任务名称 */
                (uint16_t)TASK1_STK_SIZE,            /* 任务堆栈大小 */
                (void *)NULL,                        /* 传入给任务函数的参数 */
                (UBaseType_t)TASK1_PRIO,             /* 任务优先级 */
                (TaskHandle_t *)&Task1Task_Handler); /* 任务句柄 */

    vTaskDelete(StartTask_Handler); /* 删除开始任务 */
    taskEXIT_CRITICAL();            /* 退出临界区 */
}

/* task1 */
void task1(void *pvParameters)
{
    uint32_t task1_num = 0;

    while (1)
    {
        if (++task1_num == 5)
        {
            printf("FreeRTOS Close Interrupt\r\n");
            portDISABLE_INTERRUPTS(); /* FreeRTOS关闭中断 */
            delay_ms(5000);           /* 不能使用vTaskDelay，vTaskDelay内部会执行开中断操作 */
            printf("FreeRTOS Open Interrupt\r\n");
            portENABLE_INTERRUPTS(); /* FreeRTOS打开中断 */
            task1_num = 0;
        }
        vTaskDelay(1000);
    }
}

freertos_demo.h

#ifndef __FREERTOS_DEMO_H
#define __FREERTOS_DEMO_H

#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./SYSTEM/delay/delay.h"
#include "./BSP/LED/led.h"
#include "./BSP/KEY/key.h"
#include "./BSP/LCD/lcd.h"
#include "./BSP/TIMER/btim.h"
#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

void freertos_demo(void);

#endif

btim.c

#include "./BSP/TIMER/btim.h"

TIM_HandleTypeDef g_tim3_handle; /* 定时器3句柄 */
TIM_HandleTypeDef g_tim5_handle; /* 定时器5句柄 */

/* 基本定时器TIM3中断服务函数 */
void BTIM_TIM3_INT_IRQHandler(void)
{
    HAL_TIM_IRQHandler(&g_tim3_handle); /*定时器回调函数*/
}

/* 基本定时器TIM5中断服务函数 */
void BTIM_TIM5_INT_IRQHandler(void)
{
    HAL_TIM_IRQHandler(&g_tim5_handle); /*定时器回调函数*/
}

/* 回调函数，定时器中断服务函数调用 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim == (&g_tim3_handle))
    {
        printf("TIM3 Output\r\n");
    }
    else if (htim == (&g_tim5_handle))
    {
        printf("TIM5 Output\r\n");
    }
}

/*  基本定时器TIM3定时中断初始化函数 */
void btim_tim3_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
    g_tim3_handle.Instance = BTIM_TIM3_INT;                    /*通用定时器3*/
    g_tim3_handle.Init.Prescaler = psc;                        /* 设置预分频器  */
    g_tim3_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;       /* 向上计数器 */
    g_tim3_handle.Init.Period = arr;                           /*自动装载值*/
    g_tim3_handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; /*时钟分频因子*/
    HAL_TIM_Base_Init(&g_tim3_handle);

    HAL_TIM_Base_Start_IT(&g_tim3_handle); /*使能通用定时器3和及其更新中断：TIM_IT_UPDATE*/
}

/*  基本定时器TIM5定时中断初始化函数 */
void btim_tim5_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc)
{
    g_tim5_handle.Instance = BTIM_TIM5_INT;                    /*通用定时器5*/
    g_tim5_handle.Init.Prescaler = psc;                        /* 设置预分频器  */
    g_tim5_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;       /* 向上计数器 */
    g_tim5_handle.Init.Period = arr;                           /*自动装载值*/
    g_tim5_handle.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; /*时钟分频因子*/
    HAL_TIM_Base_Init(&g_tim5_handle);

    HAL_TIM_Base_Start_IT(&g_tim5_handle); /*使能通用定时器5和及其更新中断：TIM_IT_UPDATE*/
}

/* 定时器底层驱动，开启时钟，设置中断优先级 */
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == BTIM_TIM3_INT)
    {
        BTIM_TIM3_INT_CLK_ENABLE();                     /*使能TIM时钟*/
        HAL_NVIC_SetPriority(BTIM_TIM3_INT_IRQn, 4, 0); /* 抢占4，子优先级0，组4 */
        HAL_NVIC_EnableIRQ(BTIM_TIM3_INT_IRQn);         /*开启ITM3中断*/
    }
    else if (htim->Instance == BTIM_TIM5_INT)
    {
        BTIM_TIM5_INT_CLK_ENABLE();                     /*使能TIM时钟*/
        HAL_NVIC_SetPriority(BTIM_TIM5_INT_IRQn, 6, 0); /* 抢占6，子优先级0，组4 */
        HAL_NVIC_EnableIRQ(BTIM_TIM5_INT_IRQn);         /*开启ITM5中断*/
    }
}

bitm.h

#ifndef _BTIM_H
#define _BTIM_H

#include "./SYSTEM/sys/sys.h"
#include "./SYSTEM/USART/usart.h"
#include "./BSP/LED/led.h"

/******************************************************************************************/
/* 基本定时器 定义 */

/* TIMX 中断定义 
 * 默认是针对TIM6/TIM7
 * 注意: 通过修改这4个宏定义,可以支持TIM1~TIM8任意一个定时器.
 */
 
#define BTIM_TIM3_INT                       TIM3
#define BTIM_TIM3_INT_IRQn                  TIM3_IRQn
#define BTIM_TIM3_INT_IRQHandler            TIM3_IRQHandler
#define BTIM_TIM3_INT_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE(); }while(0)  /* TIM3 时钟使能 */

#define BTIM_TIM5_INT                       TIM5
#define BTIM_TIM5_INT_IRQn                  TIM5_IRQn
#define BTIM_TIM5_INT_IRQHandler            TIM5_IRQHandler
#define BTIM_TIM5_INT_CLK_ENABLE()          do{ __HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE(); }while(0)  /* TIM5 时钟使能 */

/******************************************************************************************/

void btim_tim3_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc);
void btim_tim5_int_init(uint16_t arr, uint16_t psc);

#endif