新星杯-ESP32智能硬件开发--ESP32的I/O组成-系统中断矩阵

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ESP32开发板的中断矩阵、功能描述与实现、相关API和示例程序进行介绍

ESP32中断矩阵将任一外部中断源单独分配到每个CPU的任一外部中断上，提供了强大的灵活性，能适应不同的应用需求。

ESP32中断主要有以下特性：

接收71个外部中断源作为输入，为两个CPU分别生成26个外部中断（总共52个）作为输出，屏蔽CPU的NMI类型中断，查询外部中断源当前的中断状态，

包括外设中断配置寄存器、中断源、中断矩阵和中断输出寄存器。

1.外部中断源

ESP32共有71个外部中断源，有67个可以分配给两个CPU，

其余4个外部中断源只能分配给特定的CPU，每个CPU2个。GPIO_INTERRUPT_PRO和GPIO_INTERRUPT_PRO_NMI只可以分配给PRO_CPU，GPIO_INTERRUPT_APP和GPIO_INTERRUPT_APP_NMI只可以分配给APP_CPU。

因此，PRO_CPU与APP_CPU各分配到69个外部中断源。

2.CPU中断源

两个CPU（PRO_CPU和APP_CPU）各有32个中断，其中26个为外部中断。

编号	类别	种类	优先级	编号	类别	种类	优先级
0	外部中断	电平触发	1	16	内部中断	定时器 2	5
1	外部中断	电平触发	1	17	外部中断	电平触发	1
2	外部中断	电平触发	1	18	外部中断	电平触发	1
3	外部中断	电平触发	1	19	外部中断	电平触发	2
4	外部中断	电平触发	1	20	外部中断	电平触发	2
5	外部中断	电平触发	1	21	外部中断	电平触发	2
6	内部中断	定时器 0	1	22	外部中断	边沿触发	3
7	内部中断	软件	1	23	外部中断	电平触发	3
8	外部中断	电平触发	1	24	外部中断	电平触发	4
9	外部中断	电平触发	1	25	外部中断	电平触发	4
10	外部中断	边沿触发	1	26	外部中断	电平触发	5
11	内部中断	解析	3	27	外部中断	电平触发	3
12	外部中断	电平触发	1	28	外部中断	边沿触发	4
13	外部中断	电平触发	1	29	内部中断	软件	3
14	外部中断	NMI	NMI	30	外部中断	边沿触发	4
15	内部中断	定时器 1	3	31	外部中断	电平触发	5

3.分配外部中断源至CPU外部中断

首先，按照如下规则描述中断：记号Source_X代表某个外部中断源。记号PRO_X_MAP_REG（或 APP_X_MAP_REG）表示PRO_CPU（或 APP_CPU）的某个外部中断配置。寄存器，且此外部中断配置寄存器与外部中断源Source_X相对应。

即表4-7中“PRO_CPU（APP_CPU）-外设中断配置寄存器”一列中与“外设中断源名称”一列中的某个外部中断源处于同一行的寄存器。记号Interrupt_P表示CPU中断序号为Num_P的外部中断，Num_P的取值范围为是0~5、8~10、12~14、17~28、30~31。记号Interrupt_I表示CPU中断序号为Num_I的内部中断，Num_I的取值范围是6、7、11、15、16、29。

其次，根据中断源、寄存器、内外中断，可以这样描述中断矩阵控制器操作：将外部中断源Source_X分配到CPU（PRO_CPU或APP_CPU）。

寄存器PRO_X_MAP_REG（APP_X_MAP_REG）配成Num_P。Num_P可以取任意CPU外部中断值，CPU中断可以被多个外设共享。关闭CPU（PRO_CPU或APP_CPU）外部中断源Source_X。将寄存器PRO_X_MAP_REG（APP_X_MAP_REG）配成任意 Num_I。由于任何被配成 Num_I 的中断都没有连接到2 CPU上，选择特定内部中断值不会造成影响。

将多个外部中断源Source_Xn ORed分配到PRO_CPU（APP_CPU）的外部中断。将各个寄存器PRO_Xn_MAP_REG (APP_Xn_MAP_REG)配成同样的Num_P。这些外设中断都会触发CPU的Interrupt_P。

4.屏蔽CPU的NMI类型中断

中断矩阵能够根据信号PRO_CPU的NMI中断屏蔽（或APP_CPU的NMI中断屏蔽）暂时屏蔽所有被分配到PRO_CPU（或APP_CPU）的外部中断源的NMI中断。

信号PRO_CPU的NMI中断屏蔽和APP_CPU的NMI中断屏蔽分别来自外设进程号控制器。

5.查询外部中断源当前的中断状态

读寄存器 PRO_INTR_STATUS_REG_n（APP_INTR_STATUS_REG_n）中特定位的值就可以获知外部中断源当前的中断状态。

寄存器PRO_INTR_STATUS_REG_n（APP_INTR_STATUS_REG_n）与外部中断源的对应关系。

中断类型定义

中断的大多数功能与GPIO有关，从GPIO的头文件中有很多定义和函数是针对中断的，本节对其主要的定义和函数进行总结。在gpio_types.h或者gpio.h，头文件中的预定义。gpio_int_type_t是ESP32中断类型的定义，是枚举类型，定义如下：

typedef enum {
    GPIO_INTR_DISABLE = 0,     /*禁用GPIO中断*/
    GPIO_INTR_POSEDGE = 1,     /*GPIO中断类型：上升沿*/
    GPIO_INTR_NEGEDGE = 2,     /*GPIO中断类型：下降沿*/
    GPIO_INTR_ANYEDGE = 3,     /*GPIO中断类型：上升和下降沿*/
    GPIO_INTR_LOW_LEVEL = 4,   /*GPIO中断类型：低电平触发*/
    GPIO_INTR_HIGH_LEVEL = 5,  /*GPIO中断类型：高电平触发*/
    GPIO_INTR_MAX,
} gpio_int_type_t;

中断示例程序

基于ESP IDF的VS Code、Arduino和MicroPython环境的三种代码实现。

本程序将GPIO18定义为输出，GPIO4定义为输入，上拉状态，从上升沿触发中断，将GPIO18与GPIO4通过导线直接连接，GPIO18产生的脉冲触发，开始计数，对GPIO4进行余4运算，每隔4s产生中断，在串口打印中断信息。

1. 基于ESP IDF的VS Code开发环境实现方式
代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "freertos/queue.h"
#include "driver/gpio.h"
#define GPIO_OUTPUT_IO_0    18
#define GPIO_OUTPUT_PIN_SEL  (1ULL<<GPIO_OUTPUT_IO_0)
#define GPIO_INPUT_IO_0     4
#define GPIO_INPUT_PIN_SEL  (1ULL<<GPIO_INPUT_IO_0)
#define ESP_INTR_FLAG_DEFAULT 0
static xQueueHandle gpio_evt_queue = NULL;          //FreeRTOS的队列句柄
static void IRAM_ATTR gpio_isr_handler(void* arg)     //函数gpio_isr_handler的调用规范
{
    uint32_t gpio_num = (uint32_t) arg;
    xQueueSendFromISR(gpio_evt_queue, &gpio_num, NULL);    
}
static void gpio_task_example(void* arg)               //构建任务
{
    uint32_t io_num;
    for(;;) {
        if(xQueueReceive(gpio_evt_queue, &io_num, portMAX_DELAY)) {  //接收队列
            printf("GPIO[%d] intr, val: %d\n", io_num, gpio_get_level(io_num));
        }
    }
}
void app_main(void)                                  //主函数
{
    gpio_config_t io_conf;                            //定义结构体
    io_conf.intr_type = GPIO_PIN_INTR_DISABLE;      //禁用中断
    io_conf.mode = GPIO_MODE_OUTPUT;            //设置输出模式
    io_conf.pin_bit_mask = GPIO_OUTPUT_PIN_SEL;    //GPIO18的比特掩码
    io_conf.pull_down_en = 0;                         //禁用下拉模式
    io_conf.pull_up_en = 0;                           //禁用上拉模式
    gpio_config(&io_conf);                           //使用以上参数初始化GPIO
    io_conf.intr_type = GPIO_PIN_INTR_POSEDGE;     //上升沿触发中断
    io_conf.pin_bit_mask = GPIO_INPUT_PIN_SEL;      //GPIO4的比特掩码
    io_conf.mode = GPIO_MODE_INPUT;              //设置输入模式
    io_conf.pull_up_en = 1;                           //使能上拉模式
    gpio_config(&io_conf);                           //使用以上参数配置
    gpio_evt_queue = xQueueCreate(10, sizeof(uint32_t));  //创建队列处理中断
    xTaskCreate(gpio_task_example, "gpio_task_example", 2048, NULL, 10, NULL); //开启任务
    gpio_install_isr_service(ESP_INTR_FLAG_DEFAULT);  //安装GPIO中断服务
gpio_isr_handler_add(GPIO_INPUT_IO_0, gpio_isr_handler, (void*) GPIO_INPUT_IO_0);
//GPIO引脚挂钩ISR处理程序
    int cnt = 0;
    while(1) {
        printf("cnt: %d\n", cnt++);                       //打印计数
        vTaskDelay(1000 / portTICK_RATE_MS);         //延时1S
        gpio_set_level(GPIO_OUTPUT_IO_0, cnt % 4);     //每隔4个计数，打印一次中断
        //gpio_set_level(GPIO_OUTPUT_IO_1, cnt % 2);
    }
}

2. Arduino开发环境实现
代码如下：

void callBack(void)
{
  Serial.printf("GPIO 4 Interrupted\n");
}
void setup()
{
  Serial.begin(115200);                //设置串口监视器波特率
  Serial.println();
  pinMode(18, OUTPUT);              //GPIO18为输出模式
  pinMode(4, INPUT);                 //GPIO4为输入模式
  attachInterrupt(4, callBack, RISING);   //上升沿触发中断
}
int cnt = 0;
void loop()                         //主函数
{
    Serial.printf("cnt: %d\n", cnt++);    //打印计数
    digitalWrite(18, cnt % 4);         //每隔4个计数，打印一次中断
    delay(1000);                   //延时1S
    //detachInterrupt(4); //关闭中断
}

3. MicroPython开发环境实现
代码如下：

import time
import machine
from machine import Pin 
GPIO_OUTPUT=Pin(18,Pin.OUT)
GPIO_INPUT=Pin(4,Pin.IN, Pin.PULL_UP)
cnt=0                          #定义计数
interrupt = 0
interruptsCounter = 0              #计算中断事件次数
def callback(pin):                 #定义回调函数
  global interrupt, interruptsCounter  #声明为全局变量
  interrupt = 1
  interruptsCounter = interruptsCounter+1
GPIO_INPUT.irq(trigger=Pin.IRQ_RISING, handler=callback)
while True:
    GPIO_OUTPUT.value(cnt%4)
    time.sleep(1)
    cnt=cnt+1
    if interrupt:
        #state = machine.disable_irq()  #禁用计数器
        interrupt = 0
        #machine.enable_irq(state)  #重新启动计数器
        print("Interrupt has occurred: " + str(interruptsCounter))