中断-MCU

news2024/11/14 18:32:43

中断

目录

中断

中断的概念

中断的执行过程

中断服务函数

中断的部分专业术语 – 了解

STM32中的中断分类

嵌套向量中断控制器 NVIC

STM32中的中断优先级

中断编程

外部中断（单片机之外）之EXTI中断

相关寄存器

外部中断（EXTI）的配置过程

  • 上一章是采用轮询的方式去检测按键是否按下，但实验发现按键的检测并不灵敏 

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  • 所以要想要实现按键检测的灵敏，我们就需要增加按键检测占的时间，减小延时，可无论如何，延时不可能减到0，所以就需要用到中断的方式

中断的概念

对于几乎所有的微控制器，中断都是一种常见的特性。中断一般是由硬件(如外设和外部输入引脚)产生的事件，它会引起程序流偏离正常的流程(如给外设提供服务)，转去执行其他的流程。

CPU在正常执行程序的过程中，由于内部/外部事件的触发或程序的预先安排引起CPU暂停当前正在运行的程序，而转去执行中断服务子程序，待中断服务子程序执行完毕后，CPU继续执行原来的程序，这一过程称为中断；

中断的执行过程

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  • 1、外设发出中断请求
  • 2、处理器暂停当前执行的任务，保护现场，将当前位置的PC地址压栈； 

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  • 3、程序跳转到中断服务程序，执行中断服务程序；
  • 4、恢复现场，将栈顶的值回送给PC;
  • 5、跳转到被中断的位置开始执行下一个指令

中断服务函数

  • 中断服务函数：相对于正常子函数，中断服务函数有以下需要注意的地方：

1、中断服务函数不能传入参数；
2、中断服务函数不能有返回值；
3、中断服务函数应该做到短小精悍，快入快出，禁止延时性的过程。
4、不要在中断函数中使用printf函数，会带来重入和性能问题。
中断重入：就是在一个中断程序执行过程中又被另一个中断打断，转而又去执行另一个中断程序。

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中断的部分专业术语 – 了解

  • 中断源：引起中断的原因，或者能够发出中断请求信号的来源统称为中断源
  • 中断优先级：中断同时到来，谁先执行。数字越小，优先级越高。
  • 中断响应：中断事件发生，Cortex-M3内核准备执行该事件，即为中断响应。
  • 中断嵌套：可嵌套的内核 -- 中断可以被其他中断打断。（一般都是可嵌套内核）（Cortex-M）
  • 不可嵌套的内核 -- 不可以打断。
  • 中断挂起：中断事件发生了，但是Cortex-M内核还没准备去执行。
  • 中断服务函数： 中断发生后，要执行的程序。（固定格式）
  • 中断通道：对于 Cortex-M 内核所支持的 240 个外部中断，使用了“中断通道”这个概念，因为尽管每个中断对应一个外围设备，但该外围设备通常具备若干个可以引起中断的中断源或中断事件[外围设备与中断源的关系为1对N]。而该设备的所有的中断都只能通过该指定的“中断通道”向内核申请中断。因此，关于中断优先级的概念都是针对“中断通道”的。当该中断通道的优先级确定后，也就确定了该外围设备的中断优先级，并且该设备所能产生的所有类型的中断，都享有相同的通道中断优先级。至于该设备本身产生的多个中断的执行顺序，则取决于用户的中断服务程序。

STM32中的中断分类

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  • 内核（CPU）对中断的管理（内核只是一个处理数据的地方，NVIC才是管理中断的地方）

NVIC（嵌套向量中断控制器），支持256个中断（240（内核之外（内核之外就是单片机）的中断）+16（异常：内核自身的中断）），对应的中断通道256个， 对应的中断优先级256个（优先级指的是中断通道的优先级），数字越小，优先级越高，8位数
优先级分组：8组

  • 单片机对中断的管理（单片机没有管理中断的地方，单片机只能产生中断）

单片机只能产生中断，（对于中断来说）单片机就是一个大的中断源
并不是所有单片机都能产生240个中断，
例如STM32F103CET6只能产生68个中断，
中断优先级16个
中断，允许优先级相同（优先级相同，谁先发生，谁先处理）
优先级：由两部分组成，抢占和响应
抢占优先级：是否能够发生中断打断的情况（抢占优先级高的能够打断抢占优先级低的，两个抢占优先级一样的不能打断）
响应优先级：抢占优先级一致的中断同时发生。响应优先级高的先执行。（正常情况下没作用，只有一种情况。）
如果两个中断同时发生，两个优先级（抢占和响应）都一样，执行顺序按照表格的顺序，谁在前，谁执行。 优先级分组：5组（内核的3，4，5，6，7） 

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  • 内核优先级是8位数构成，单片机是4位，那么这4位哪几位是抢占，哪几位是响应,引出中断优先级分组

  • 优先级分组：抢占和响应各自占据的位数

  • 已知，内核优先级是8位数组成，高四位是单片机的优先级（也就是单片机的优先级是4位） 

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  • 中断：异常（内核里的中断）+外部（片上外设）中断

嵌套向量中断控制器 NVIC

  • NVIC ：嵌套向量中断控制器，属于内核外设，管理着包括内核和片上所有外设的中断相关的功能。

  • 这里解释一下片上外设与内核外设他们都在芯片里面，但内核外设是在内核CPU里面，片上外设就是内核之外咯。

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异常是指由于执行指令时的一个错误条件而产生的故障。按照ARM的说法，中断也是与一种异常。
异常：可以理解为是Cortex-M内核的中断，包含错误异常以及其他用于OS支持的系统异常。Stm32中的Cortex-M处理器的异常架构具有多种特性，支持多个系统异常和外部中断。编号1～15的为系统异常，16及以上的则为中断输入(处理器的输入,不必从封装上的I/O引脚上访问)。包括所有中断在内的多数异常﹐都具有可编程的优先级，一些系统异常则具有固定的优先级。
不同Cortex-M3或Cortex-M4微控制器的中断源的编号(1～240)可能会不同，优先级也可能会有所差异。这是因为为了满足不同的应用需求，芯片设计者可能会对Cortex-M3或Cortex-M4设计进行相应的配置。

  • 内核的中断

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  • 外部中断

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STM32中的中断优先级

对于Cortex-M处理器(包括ARMv6-M和ARMv7-M)异常是否能被处理器接受以及何时被处理器接受并执行异常处理，是由异常的优先级和处理器当前的优先级决定的。
更高优先级的异常(优先级编号更小)可以抢占低优先级的异常(优先级编号更大)，这就是异常/中断嵌套的情形。
有些异常(复位,NMI和 HardFault)具有固定的优先级，其优先级由负数表示，这样，它们的优先级就会比其他的异常高。其他异常则具有可编程的优先级﹐范围为0~255。
NVIC 支持由软件指定的优先级。通过对中断优先级寄存器的8位 IPR_N 区执行写操作，来将中断的优先级指定为 0～255，见中断优先级寄存器。硬件优先级随着中断号的增加而降低。 0 优先级最高， 255 优先级最低。指定软件优先级后，硬件优先级（默认优先级）无效。

利用系统控制块(SCB)中一个名为优先级分组的配置寄存器(属于SCB中的应用中断和复位控制寄存器)将每个具有可编程优先级的优先级配置寄存器可被分为两部分。
上半部分(左边的位)为分组(抢占)优先级﹐而下半部分(右边的位)则为子优先级。事实上stm32(单片机)只用了4位优先级（内核的高4位），分组时从优先级高位向低位方向分组。

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子优先级就是响应优先级 抢占和响应各自占据的位数，例如0分组，抢占7位（0~2^7-1），响应是1位（0-1）

单片机的优先级分组是在内核分组的基础上开始分组的，因为单片机优先级的位数是内核优先级位数的高4位，也就是4~7，所以单片机优先级分组从第三组开始，3~7（一共5组），如第三个分组，在单片机上给抢占的是4位，响应的是0位

中断编程

  • 一般中断使能一般有两个门，外设使能相应的中断然后送入NVIC再使能，外设使能中断是小门，NVIC使能中断是大门，只有都使能才能响应中断。

-- 1.使能外设某个中断，这个具体由每个外设的相关中断使能位控制。

-- 2.配置中断优先级分组，然后初始化 NVIC_InitTypeDef 结构体，设置抢占优先级和子优先级，使能中断请求。NVIC_InitTypeDef 结构体在固件库头文件 misc.h 中定义。

1、配置中断优先级分组 

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NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);

2、初始化 NVIC_InitTypeDef 结构体

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-- NVIC_IROChannel：用来设置中断源，不同的中断中断源不一样，且不可写错，即使写错了程序也不会报错，只会导致不响应中断。具体的成员配置可参考stm32f10x.h 头文件里面的 IRQn_Type 结构体定义，这个结构体包含了所有的中断源。 

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NVIC_IRQChannelPreemptionPriority：抢占优先级，具体的值要根据优先级分组来确定。
NVIC_IRQChannelSubPriority：子优先级（响应优先级），具体的值要根据优先级分组来确定 。
NVIC_IRQChannelCmd：中断使能（ENABLE）或者（DISABLE）。操作的是 NVIC_ISER 和 NVIC_ICER 这两个寄存器。

   NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure = {0}; 
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn; //中断通道
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; //抢占
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //响应
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//使能（使能哪个中断通道，就要写哪个（必须写）中断服务函数）
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

外部中断（单片机之外）之EXTI中断

-- 这里的外部中断是指由外部条件触发例如按键触发（GPIO）,对于互联型产品(F107)，外部中断/事件控制器由20个产生事件/中断请求的边沿检测器组成，对于其它产品（我们这里是F103），则有19个能产生事件/中断请求的边沿检测器。 

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-- 中断线每次只能连接到 1 个 IO 口上，这样就需要通过配置来决定对应的中断线配置到哪个 GPIO 上了。112通用I/O端口以下图的方式连接到16个外部中断/事件线上：

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-- 16个中断线的不是每个中断都有独立的中断服务函数，IO口外部中断在中断向量表中只分配了7个中断向量，也就是只能使用7个中断服务函数

-- 对应的中断服务函数，直接去启动文件里面找以防写错。 

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-- 信号线上打一个斜杠并标注“20”字样，这个表示在控制器内部类似的信号线路有 20 个，这与 EXTI 总共有 20 个中断/事件线是吻合的。所以我们只要明白其中一个的原理，那其他 19 个线路原理也就知道了

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中断与事件的区别：

中断：需要CPU参与，需要调用软件的中断服务函数才能完成中断后产生的结果
事件：靠脉冲发生器产生一个脉冲,进而由硬件自动完成这个事件产生的结果,当然相应的联动部件需要先设置好,触发TIM计时,AD转换等，事件不要软件的参与，降低了CPU的负荷，而且硬件速度快于软件速度

相关寄存器

  • 外部中断配置寄存器 

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  • 选择中断线

-- 在配置中断线时一定要先使能AFIO外设的时钟，因为配置中断线是用到AFIO外设的寄存器，我们知道配置寄存器必须要有时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);	//exti的时钟（外设也有自己的时钟）

外部中断（EXTI）的配置过程

  • 1、配置要中断检测的IO引脚模式为：浮空输入模式，具体查阅参考手册8.1.11以及自己的硬件电路来设置

  • 2、把要中断检测的IO引脚映射到对应的EXTI中断线上，通过AFIO来设置。 

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  • 3、配置对应的EXTI中断线，触发的边沿、使能屏蔽位

  • 4、通过NVIC配置EXTI中断的优先级、使能NVIC的EXTI中断 

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  • exti.c

#include "exti.h"

void exti_init(void)
{
	//时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);	//exti的时钟（外设也有自己的时钟）
	//IO
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure = {0};						//定义结构体变量，并且将结构体变量赋初值
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; 						//引脚
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;			//速度
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;	//浮空模式
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	//外设	EXTI
	
	EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure = {0};//初始化
	EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;//EXTI比较特殊，这里设置为中断模式，就不用设置中断源了
	EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
	EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
	EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
	
	//中断 NVIC
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure = {0}; 
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn; //中断通道
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; //抢占
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //响应
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;//使能（使能哪个中断通道，就要写哪个（必须写）中断服务函数）
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	
	//其他
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);
	
}
//只要使能中断通道，就一定要写中断服务函数

uint8_t key_it_flag = 0;
//中断服务函数
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
	//1.判断哪个中断发生
	if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0)  == SET)//SET就是1
	{
		//2.处理中断
		key_it_flag = 1;
		//3.清理中断 	(一定要清除，否则中断会一直触发)
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
	}
	
}
  • main.c
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置优先级分组（相当于内核的第五组）因为在整个工程里只用分一次，所以写在main函数

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