STM32中断详述——外部EXTI

news2024/12/21 21:49:22

前置知识

  • 中断：在主程序运行过程中，出现了特定的中断源，使得CPU暂停当前正在运行中的程序，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执行，可以参考图1所示。

图1
图1 中断程序图

  • 中断优先级：当有多个中断源同时请求中断的时候，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

  • 中断嵌套：其中一个中断正在运行中，又出现了一个新的更高级的中断，CPU再次暂停当前中断程序，转而运行新的程序，处理完成后依次返回。如图2所示：
    在这里插入图片描述
    图2 嵌套中断程序图

STM32 中断

STM32F1系列

  • 68个可屏蔽中断通道，包含EXTI，TIM，ADC，USART，SPI，I2C，RTC等多个外设
  • 使用NVIC统一管理中断，每个中断通道都有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基本结构

NVIC在STM32中，它是用来统一分配中断优先级和管理中断的，是一个内核外设，NVIC的结构图如下图3所示
在这里插入图片描述
图3 NVIC结构图
由于CPU是主要用来运算的，故把中断分配的任务外包给了NVIC，他有很多个输入口，可以接很多的中断口。

NVIC中断分组

在STM32中，NVIC中断分组可以分为两个级别：全局中断分组和子优先级分组。

  1. 全局中断分组：用于配置所有中断请求的优先级分组方式，可以通过SCB（System Control Block）模块中的AIRCR（Application Interrupt and Reset Control Register）寄存器进行配置。全局中断分组主要影响到普通中断的优先级顺序。

  2. 子优先级分组：用于配置同一优先级中多个中断之间的响应顺序，通过NVIC模块的IPR（Interrupt Priority Register）寄存器进行配置。

在全局中断分组中，将中断的优先级分为4组，每组优先级数目不同。可根据实际需要选择合适的分组方式。具体的分组方式如下：

  1. 0位抢占优先级和4位响应优先级（0：4）：将16个主优先级分成16/1=16个组，每组只包含一个优先级。

  2. 1位抢占优先级和3位响应优先级（1：3）：将16个主优先级分成16/4=4个组，每组包含4个优先级。

  3. 2位抢占优先级和2位响应优先级（2：2）：将16个主优先级分成16/16=1个组，所有中断的优先级相同。

  4. 3位抢占优先级和1位响应优先级（3：1）：将16个主优先级分成16/64=1/4个组，每组包含64个优先级。

在选择中断分组时，需要权衡系统的可靠性和中断响应速度。如果需要更快的中断响应速度，则应当选取更高的优先级；如果需要更稳定的系统，则应降低优先级。

EXTI外部中断

在STM32单片机中，可以使用外部中断输入线（EXTI）来实现外部中断的响应。EXTI线为双边沿触发，可以同时支持上升沿和下降沿触发中断，还支持软件触发和信号线电平状态查询等多种功能。

在使用STM32中的EXTI外部中断时，需要注意以下几点：

  1. 配置GPIO引脚：首先需要将要使用的GPIO引脚配置为输入模式，同时使能外部中断线。

  2. 配置EXTI线：选择要使用的中断线并配置其触发方式，例如上升沿、下降沿、低电平、高电平等。

  3. 编写中断服务函数：当外部中断触发时，会跳转到对应的中断服务函数进行处理。需要编写相应的中断服务函数来响应中断事件。

  4. 关闭中断：在中断服务函数中对紧急情况进行处理后，需要及时将中断屏蔽以避免中断重复触发。

以下是一个简单的STM32EXTI外部中断的示例：

#include "stm32f10x.h"

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET)
    {
        /* 处理中断事件 */

        /* 关闭中断 */
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}

int main()
{
    /* 使能GPIO引脚和EXTI线 */
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    
    /* 配置GPIO引脚 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    /* 配置EXTI线 */
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising; /* 上升沿触发 */
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
    
    /* 配置中断优先级 */
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x0F;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x0F;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    while(1)
    {
        /* 正常运行代码 */
    }
}

定义了一个名为EXTI0_IRQHandler的中断服务函数，通过读取EXTI_GetITStatus函数来检测是否有中断请求产生，执行完中断服务函数后，需要使用EXTI_ClearITPendingBit清除中断标志位并关闭中断。

上面的例子可能还是有点晦涩，我们先来看一下EXTI的基本结构，如图4所示：

在这里插入图片描述
图4 EXTI基本结构图

在上图中AFIO、EXTI、NVIC都有其特定的作用：

  • AFIO（Alternate Function I/O）：是一种外设复用功能，可以将单个GPIO端口的复用功能分配给多个外设，例如复用其他串行通信接口或IO端口。在外部中断中，为了允许对每个I/O引脚选择不同的中断线，需要使用AFIO来配置GPIO端口的复用功能，从而定义中断线的连接。

  • EXTI（External Interrupt/Event Controller）：是管理外设中断/事件的控制器，通常用于激活处理器中的中断。EXTI外部中断线和GPIO Pin相关联，当线上电平发生变化时，EXTI会触发一次中断请求，并产生中断标志位。通过操作EXTI, 可以设置中断线的触发方式和优先级等参数。

  • NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）：是STM32芯片中处理各种中断请求的一个内部模块，支持嵌套中断机制，用于优化系统的多任务管理。NVIC中，优先级分组分为：抢占优先级分组和响应优先级分组。抢占优先级越高，CPU在处理该中断时，会放弃低优先级中断的响应并快速地进入该中断处理函数中。

在STM32外部中断的使用中，这三个组件经常一同出现：

  1. AFIO和GPIO可以一起配置中断线路和端口，以便将输入引脚映射到正确的外部中断线路。
  2. EXTI和系统中断溢出控制器协同工作，确定是否还有活动中断，以及确保在执行给定中断的处理程序之前没有丢失或覆盖其他中断。
  3. NVIC控制中断处理程序的优先级，以确保在中断“堆栈”中按正确顺序处理多个中断。

下面我们通过一个红外传感器计次的代码来实际感受一下，外部中断：

红外传感器计次

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

uint16_t CountSensor_Count;

void CountSensor_Init(void)
{
	//使用的GPIOB端口和复用中断功能，为外部中断线提供供电
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
	
	//定义的GPIO_InitTypeDef结构体为GPIO配置结构体，用来给GPIOB14配置输入模式和上拉输入(Internal Pull Up)。GPIOB14的GPIO_Pin定义为GPIO_Pin_14，其它参数与对应引脚电路方案有关，根据需要进行修改，例如GPIO_Speed为GPIO_Speed_50MHz，这是为了配置管脚输出的最大时钟速度，也就是所有的管脚寄存器（ODR和BSR等，不包括MODER）都运行在50MHz的时钟下
	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);
	
	//告诉NVIC如何映射中断线。使用GPIOB14时，可以将其用于EXTI15线路上，以便将此引脚映射到正确的线路
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource14);
	
	//EXTI_InitTypeDef结构体类型和EXTI_Init()函数来初始化外部中断功能。针对 GPIOB14，需要使用EXTI_Line14枚举类型来选择要使用的中断线路。ENABLE命令行参数用于使能配置好的中断线路。EXTI_Mode设置为EXTI_Mode_Interrupt来使用EXTI的中断模式，而EXTI_Trigger则表示使用下降沿触发中断模式。这些配置后，再调用EXTI_Init()函数注册到 NVIC 的 EXTI 列表中，以确保能够正确响应中断事件
	EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line14;
	EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
	EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
	
	//在第二组中断中优先级分组，一共可以实现16个不同的优先级级别，包括4个抢占优先级和4个响应优先级。该函数可以用于设置 NVIC 的中断优先级分组，在 NVIC 中按照优先级的设置顺序执行相应中断服务程序。NVIC_PriorityGroup_2 表示在一个共享优先级中，两位用于变换优先级设置
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
	
	//首先定义了一个 NVIC_InitTypeDef 结构体类型，用于存储 NVIC 的各项参数信息。然后通过 .NVIC_IRQChannel 参数设置了 EXTI15_10 对应的中断通道，这表示配置的是 EXTI 产生的中断事件，其中 EXTI15_10 表示相关管脚的最大ID号，表示将配置EXTI的从15到10的中断响应优先级。接着，NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd设置为ENABLE以告诉 NVIC 此中断通道该项参数已经完成配置，可以开始中断处理。而 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority 和NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority 这两项参数则是设置相应的抢占优先级和响应优先级。抢占优先级从 0 到 15，数值最小的优先级最高，而响应优先级的取值范围与抢占优先级的取值范围相同，因为这里两个通道的具体优先级是一样的，所以都设置为 1,。最后，调用函数 NVIC_Init()，向 NVIC 注册中断服务函数，这样 NVIC 就知道该如何优先处理 EXTI 捕获到的中断事件了。执行这些代码后，配置的 EXTI 引脚成功启动，产生中断信号后外部中断的优先级也正常被处理。
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI15_10_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

uint16_t CountSensor_Get(void)
{
	return CountSensor_Count;
}

void EXTI15_10_IRQHandler(void)
{
	if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line14) == SET)
	{
		/*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 ++;
		}
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line14);
	}
}

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