9.中断系统、EXTI外部中断

中断系统原理

中断

中断系统是管理和执行中断的逻辑结构，外部中断是众多能产生中断的外设之一，所以本节我们就借助外部中断来学习一下中断系统。在以后学习其它外设的时候，也是会经常和中断打交道的。

中断：在主程序运行过程中，出现了特定的中断触发条件（中断源。比如对于外部中断来说，可以是引脚发生了电平跳变；对于定时器来说，可以是定时的时间到了；对于串口通信来说，可以是接收到了数据），使得CPU暂停当前正在运行的程序，转而去处理中断程序，处理完成后又返回原来被暂停的位置继续运行。（就好比晚上睡觉前定了个闹钟，时间到了提醒你，不管时间到不到你可以安心睡觉）。

中断优先级：当有多个中断源同时申请中断时，CPU会根据中断源的轻重缓急进行裁决，优先响应更加紧急的中断源。（这个中断优先级是我们根据程序设计的需求，自己设置的）。

中断嵌套：（中断程序再次中断，二次中断现象）当一个中断程序正在运行时，又有新的更高优先级的中断源申请中断，CPU再次暂停当前中断程序，转而去处理新的中断程序，处理完成后依次进行返回。（也是为了照顾非常紧急的中断）。

中断执行流程

中断程序的执行流程如下，当它执行到某个地方时，外设的中断条件满足了，那这时，无论主程序是在干什么事情（比如OLED显示程序才执行一半，Delay函数还在等待等）中断来了，主程序都得立即暂停，程序由硬件电路自动跳转到中断程序中，当中断程序执行完之后，程序再返回被暂停的地方继续运行（这个暂停的地方，叫做断点）。为了程序能在中断返回后继续原来的工作，在中断执行前，会对程序的现场进行保护，中断执行后，会再返回现场，这样保证主程序被中断了，回来之后也能继续执行。

中断嵌套的执行流程如下。当一个中断正在执行时，又有新的优先级更高的中断来，那个旧中断会被打断，执行新的中断，新的中断结束，再继续执行原来的中断，原来的中断结束，再继续主程序，这就是中断嵌套的执行流程。

STM32中断

多个可屏蔽中断通道（中断源），包含EXTI（外部中断）、TIM、ADC（模数转换器）、USART（串口）、SPI、I2C、RTC（实时时钟）等多个外设。（几乎所有模块都能申请中断）

使用NVIC统一管理中断，每个中断通道都拥有16个可编程的优先等级，可对优先级进行分组，进一步设置抢占优先级和响应优先级。

NVIC就是STM32中用来管理中断、分配优先级的，NVIC的中断优先级共有16个等级。

EXTIx是外部中断对应的中断资源。

EXTI简介

EXTI（Extern Interrupt）外部中断

EXTI可以监测指定GPIO口的电平信号，当其指定的GPIO口产生电平变化时，EXTI将立即向NVIC发出中断申请，经过NVIC裁决后即可中断CPU主程序，使CPU执行EXTI对应的中断程序。（简单说：引脚电平变化，申请中断）

支持的触发方式（引脚电平的变化类型）：上升沿（电平从低电平变到高电平的瞬间触发中断）/下降沿（电平从高电平变到低电平的瞬间触发中断）/双边沿（上升沿和下降沿都可以触发中断）/软件触发（程序执行代码就能触发中断）

支持的GPIO口（外部中断引脚）：所有GPIO口都能触发中断，但相同的Pin不能同时触发中断（比如PA0和PB0不能同时使用，智能选一个作为中断引脚；所以如果有多个中断引脚要选择不同的pin引脚，比如PA0和PA1、PB3就可以）

通道数：总共有20个中断线路。16个GPIO_Pin（对应GPIO_pin0到15，是外部中断的主要功能），外加PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒、以太网唤醒（这4个中断线路，是因为外部中断有个功能是从低功耗模式的停止模式下唤醒STM32那对于PVD电源电压检测，当从电源从电池过压恢复时就需要PVD借助一下外部中断的退出停止模式；对于RTC闹钟来说，有时候为了省电，RTC定一个闹钟之后，STM32回进入停止模式，等到闹钟响的时候再唤醒，这叶需要借助外部中断，剩余USB唤醒、以太网唤醒也是类似的作用）

触发响应方式：中断响应（引脚电平触发中断，申请中断，让CPU执行中断函数）/事件响应（不会触发中断，而是触发别的外设操作，属于外设之间的联合工作。外部中断的信号不会通向CPU而是通向其它外设，用来触发其它外设的操作，比如触发ADC转换、触发DMA等）

EXTI基本结构

外部中断的整体结构图如下：

首先，最左边是GPIO口的外设，每个GPIO外设有16个引脚，所以进来16根线；如果每个引脚占用一个通道，那EXTI的16个通道是不够用的，所以在这里会有一个AFIO中断引脚选择的电路模块，这个AFIO就是一个数据选择器（可以将图中前面的3个GPIO外设的16个引脚中的其中一个连接到后面的EXTI通道（16个GPIO通道），所以对于PA0\PB0\PC0这些，通过AFIO选择之后只有其中一个能接到EXTI的通道0上），然后通过AFIO选择后的16个通道，就能接到了EXTI边沿检测及控制电路上，同时下面这4个蹭网的外设（PVD\PTC\USB\ETH）也是并列接进来的，这些加起来就组成了EXTI的20个输入信号，然后经过EXTI电路之后，分为了两种输出，也就是中断响应和事件响应（上面接到了NVIC用来触发中断，下面有20条输出线路到了其它外设，也就是事件响应）

注：EXTI9_5是外部中断的5,6,7,8,9分到了一个通道里，EXTI15_10也是一样；也就是说外部中断的9到5会触发同一个中断函数，15到10也会触发同一个中断函数；在编程的时候，我们在这两个中断函数里，需要再根据标志位区分到底是哪个中断进来的。（本来20路输入，应该有20路中断的输出，可能20个输出太多了比较占用NVIC的通道资源，所以就把其中的外部中断9~5，15~10，给分到了一个通道）

AFIO复用IO口内部电路

内部电路就是一系列的数据选择器，如下图的最上面输入是PA0\PB0\PC0等尾号都是0，然后通过数据选择器最终选择一个，连接到EXTI0上，上面写的文字是说配置这个寄存器的哪一个位就可以决定选择哪一个输入，图中后面部分内容都雷同。

AFIO主要用于引脚复用功能的选择和重定义（也就是数据选择器的作用）。

在STM32中，AFIO主要完成两个任务：1.复用功能引脚重映射（就是最开始提到的引脚定义表，当想把默认复用功能换到重定义功能时，就是用AFIO来完成的，这也是AFIO的一大主要功能）、2.中断引脚选择。

EXTI内部电路框图

EXTI的右边就是20根输入线，然后输入线首先进入边沿检测电路，在上面的上升沿寄存器和下降沿寄存器可以选择是上升沿触发还是下降沿触发或者两个都触发，接着硬件触发信号和软件中断寄存器的值就进入到这个或门的输入端（也就是任意一个为1，或门就可以输出1），然后触发信号通过这个或门后就兵分两路，上一路是触发中断的，下一路是触发事件的：触发中断首先会置一个挂起寄存器（挂起寄存器相当于一个中断标志位，可以读取这个寄存器判断是哪个通道触发的中断，如果挂起寄存器置1，它就会继续向左走和中断屏蔽寄存器共同进入一个与门（与门实际上就是开关控制作用，中断屏蔽寄存器给1那另一个输入就是输出，也就是允许中断；中断屏蔽寄存器给0，那另一个输入无论是什么，输出都是0，相当于屏蔽了这个中断），然后是NVIC中断控制器）。接着就是下一路的选择是触发事件，首先也是一个事件屏蔽寄存器进行开关控制，最后通过一个吗，脉冲发生器到其它外设（脉冲发生器就是给一个电平脉冲，用来触发其它外设的动作）

补充：框图最上面两个就是外设接口和APB总线，我们可以通过总线访问这些寄存器。

EXTI外部中断的特性和使用场景

1.什么样的设备需要用到外部中断，使用外部中断有什么好处呢？大概总结了使用外部中断模块的特性：就是对于stm32来说，想要获取的信号是外部驱动的很快的突发信号。

比如，旋转编码器的输出信号；不拧它，这时不需要stm32做任何事情，但是一拧它，就会有很多脉冲波形需要stm32接收，这个信号是突发的，stm32不知道什么时候会来，同时它是外部驱动的，stm32只能被动读取，最后这个信号非常快，stm32稍微晚一点来读取就会错过很多波形，所以对于这种情况来说，就可以考虑使用stm32的外部中断，有脉冲过来，stm32立即进入中断函数处理，没有脉冲的时候stm32就专心做其他事情

另外还有比如，红外遥控接收头的输出，接收到要遥控数据之后，它会输出一端波形，这个波形转瞬即逝，并且不会等你，所以就需要使用外部中断来读取；

最后还有按键，虽然它的动作是外部驱动的突发事件但我并不推荐使用外部中断来读取按键，因为外部中断不好处理按键抖动和松手检测，对于按键来说，它的输出波形也不是转瞬即逝的，所以要求不高的话可以在主程序中循环读取，也可以考虑一下定时器中断读取的方式

5-1 对射式红外传感器（原理+代码）

接线图

当我们的挡光片或者编码盘在这个对射式红外传感器中间经过时，这个DO就会输出电平跳变的信号，然后这个电平跳变的信号触发STM32 PB14号口的中断，我们在中断函数里，执行变量++的程序，然后主循环里用OLED显示这个变量，这样第一个程序就完成了。

首先在之前OLED的代码基础上进行修改

继续将传感器文件封装在一个模块中 CountSensor.c

第一个都为初始化函数，但这时需要进行外部中断的配置函数

CountSensor.c

CountSensor_Init

GPIO初始化

(1) 使用RCC使能GPIO时钟

(2) 初始化GPIO

结构体

GPIO_Mode

GPIO_Pin

GPIO_Speed

GPIO口的模式配置在数据手册中可查到，有一个外设的GPIO配置表

(3) 使用输出或输入函数控制GPIO口（设置端口默认的高低电平）

AFIO配置

(1) 开启AFIO时钟（EXTI和NVIC两个外设的时钟是一直开的，NVIC内核外设都是不需要开启时钟）-(通过AFIO_EXTICRx配置GPIO线上的外部中断/事件，必须先使能AFIO时钟)

(2) AFIO选择中断引脚

/**
  * 函    数：计数传感器初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void CountSensor_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);		//开启GPIOB的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);		//开启AFIO的时钟，外部中断必须开启AFIO的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_14;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);						//将PB14引脚初始化为上拉输入
	
	/*AFIO选择中断引脚*/
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource14);//将外部中断的14号线映射到GPIOB，即选择PB14为外部中断引脚
	
	/*EXTI初始化*/
	EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;						//定义结构体变量
	EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line14;					//选择配置外部中断的14号线
	EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;					//指定外部中断线使能
	EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;			//指定外部中断线为中断模式
	EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;		//指定外部中断线为下降沿触发
	EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);								//将结构体变量交给EXTI_Init，配置EXTI外设
	
	/*NVIC中断分组*/
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);				//配置NVIC为分组2
																//即抢占优先级范围：0~3，响应优先级范围：0~3
																//此分组配置在整个工程中仅需调用一次
																//若有多个中断，可以把此代码放在main函数内，while循环之前
																//若调用多次配置分组的代码，则后执行的配置会覆盖先执行的配置
	
	/*NVIC配置*/
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;						//定义结构体变量
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI15_10_IRQn;		//选择配置NVIC的EXTI15_10线
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;				//指定NVIC线路使能
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;	//指定NVIC线路的抢占优先级为1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;			//指定NVIC线路的响应优先级为1
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);								//将结构体变量交给NVIC_Init，配置NVIC外设
}

EXTI初始化

NVIC配置

EXTI15_10_IRQHandler

/**
  * 函    数：EXTI15_10外部中断函数
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数为中断函数，无需调用，中断触发后自动执行
  *           函数名为预留的指定名称，可以从启动文件复制
  *           请确保函数名正确，不能有任何差异，否则中断函数将不能进入
  */
void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
	if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line14) == SET)		//判断是否是外部中断14号线触发的中断
	{
		/*如果出现数据乱跳的现象，可再次判断引脚电平，以避免抖动*/
		if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_14) == 0)
		{
			CountSensor_Count ++;					//计数值自增一次
		}
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line14);		//清除外部中断14号线的中断标志位
													//中断标志位必须清除
													//否则中断将连续不断地触发，导致主程序卡死
	}
}

CountSensor_Get

/**
  * 函    数：获取计数传感器的计数值
  * 参    数：无
  * 返 回 值：计数值，范围：0~65535
  */
uint16_t CountSensor_Get(void)
{
	return CountSensor_Count;
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "CountSensor.h"

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();			//OLED初始化
	CountSensor_Init();		//计数传感器初始化
	
	/*显示静态字符串*/
	OLED_ShowString(1, 1, "Count:");	//1行1列显示字符串Count:
	
	while (1)
	{
		OLED_ShowNum(1, 7, CountSensor_Get(), 5);		//OLED不断刷新显示CountSensor_Get的返回值
	}
}

5-2 旋转编码器计次

与对射式红外传感器原理类似，都是通过外部中断检测转瞬即逝的信号；

同理，将代码模块化，在OLED的基础上进行修改，分为三部分：OLED.c Encoder.c main.c

Encoder.c

代码逻辑与对射式红外传感器外部中断检测突变信号原理相似

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

int16_t Encoder_Count;					//全局变量，用于计数旋转编码器的增量值

/**
  * 函    数：旋转编码器初始化
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  */
void Encoder_Init(void)
{
	/*开启时钟*/
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);		//开启GPIOB的时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);		//开启AFIO的时钟，外部中断必须开启AFIO的时钟
	
	/*GPIO初始化*/
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);						//将PB0和PB1引脚初始化为上拉输入
	
	/*AFIO选择中断引脚*/
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource0);//将外部中断的0号线映射到GPIOB，即选择PB0为外部中断引脚
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource1);//将外部中断的1号线映射到GPIOB，即选择PB1为外部中断引脚
	
	/*EXTI初始化*/
	EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;						//定义结构体变量
	EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0 | EXTI_Line1;		//选择配置外部中断的0号线和1号线
	EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;					//指定外部中断线使能
	EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;			//指定外部中断线为中断模式
	EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;		//指定外部中断线为下降沿触发
	EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);								//将结构体变量交给EXTI_Init，配置EXTI外设
	
	/*NVIC中断分组*/
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);				//配置NVIC为分组2
																//即抢占优先级范围：0~3，响应优先级范围：0~3
																//此分组配置在整个工程中仅需调用一次
																//若有多个中断，可以把此代码放在main函数内，while循环之前
																//若调用多次配置分组的代码，则后执行的配置会覆盖先执行的配置
	
	/*NVIC配置*/
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;						//定义结构体变量
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;			//选择配置NVIC的EXTI0线
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;				//指定NVIC线路使能
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;	//指定NVIC线路的抢占优先级为1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;			//指定NVIC线路的响应优先级为1
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);								//将结构体变量交给NVIC_Init，配置NVIC外设

	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn;			//选择配置NVIC的EXTI1线
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;				//指定NVIC线路使能
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;	//指定NVIC线路的抢占优先级为1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;			//指定NVIC线路的响应优先级为2
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);								//将结构体变量交给NVIC_Init，配置NVIC外设
}

/**
  * 函    数：旋转编码器获取增量值
  * 参    数：无
  * 返 回 值：自上此调用此函数后，旋转编码器的增量值
  */
int16_t Encoder_Get(void)
{
	/*使用Temp变量作为中继，目的是返回Encoder_Count后将其清零*/
	/*在这里，也可以直接返回Encoder_Count
	  但这样就不是获取增量值的操作方法了
	  也可以实现功能，只是思路不一样*/
	int16_t Temp;
	Temp = Encoder_Count;
	Encoder_Count = 0;
	return Temp;
}

/**
  * 函    数：EXTI0外部中断函数
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数为中断函数，无需调用，中断触发后自动执行
  *           函数名为预留的指定名称，可以从启动文件复制
  *           请确保函数名正确，不能有任何差异，否则中断函数将不能进入
  */
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
	if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) == SET)		//判断是否是外部中断0号线触发的中断
	{
		/*如果出现数据乱跳的现象，可再次判断引脚电平，以避免抖动*/
		if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == 0)
		{
			if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0)		//PB0的下降沿触发中断，此时检测另一相PB1的电平，目的是判断旋转方向
			{
				Encoder_Count --;					//此方向定义为反转，计数变量自减
			}
		}
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);			//清除外部中断0号线的中断标志位
													//中断标志位必须清除
													//否则中断将连续不断地触发，导致主程序卡死
	}
}

/**
  * 函    数：EXTI1外部中断函数
  * 参    数：无
  * 返 回 值：无
  * 注意事项：此函数为中断函数，无需调用，中断触发后自动执行
  *           函数名为预留的指定名称，可以从启动文件复制
  *           请确保函数名正确，不能有任何差异，否则中断函数将不能进入
  */
void EXTI1_IRQHandler(void)
{
	if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) == SET)		//判断是否是外部中断1号线触发的中断
	{
		/*如果出现数据乱跳的现象，可再次判断引脚电平，以避免抖动*/
		if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_1) == 0)
		{
			if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == 0)		//PB1的下降沿触发中断，此时检测另一相PB0的电平，目的是判断旋转方向
			{
				Encoder_Count ++;					//此方向定义为正转，计数变量自增
			}
		}
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);			//清除外部中断1号线的中断标志位
													//中断标志位必须清除
													//否则中断将连续不断地触发，导致主程序卡死
	}
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "Encoder.h"

int16_t Num;			//定义待被旋转编码器调节的变量

int main(void)
{
	/*模块初始化*/
	OLED_Init();		//OLED初始化
	Encoder_Init();		//旋转编码器初始化
	
	/*显示静态字符串*/
	OLED_ShowString(1, 1, "Num:");			//1行1列显示字符串Num:
	
	while (1)
	{
		Num += Encoder_Get();				//获取自上此调用此函数后，旋转编码器的增量值，并将增量值加到Num上
		OLED_ShowSignedNum(1, 5, Num, 5);	//显示Num
	}
}