单片机学习

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前言

        本文主要讲述STM32的中断系统和外部中断，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。

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一、中断系统

• 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），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。
• 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。
• 中断嵌套：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。

1.1 什么是中断

        当CPU正在执行某个程序时，由计算机内部或外部原因引起的紧急事件向CPU发出请求处理的信号，CPU在允许的情况下响应请求信号，暂时停止正在执行的程序，保护好断点处的现场，转向执行一个用于处理该紧急事件的程序，处理完成后又返回被终止的程序断点处，继续执行原程序，这一过程就是上图中中断响应和处理的过程。

1.2 中断优先级

        1.中断优先级就是中断的紧急程度。

        2.中断优先级是我们根据程序设计的需求，自己设置的。

        3.中断优先级是为了在多个中断同时申请时，判断一下，应该先处理哪个。如果事件非常紧急，就把优先级设置高一些；如果事件不紧急，就把优先级设置低一些。这样可以更好的安排这些中断事件，防止紧急的事件被别的中断耽误。

1.3 中断嵌套

        中断嵌套就是把中断程序再次中断的现象，中断嵌套也是为了处理非常紧急的中断。

        如果在CPU已经在执行某个中断程序时，又发生了一个非常紧急的中断，那这个非常紧急的中断就可以把当前的中断程序进行二次中断。这样新的紧急中断就可以立即被执行了。等紧急的中断结束，再继续执行原来的中断。原来的中断结束再继续主程序

        能否进行中断嵌套，是由中断优先级来决定的。

1.4 C语言中的中断程序

        带有中断程序的代码示例：

int main(void)//主函数
{
	while(1)
	{
		//主程序
		//……
		//主程序
	}
}

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
		//中断程序
		//……
		//中断程序
}

        在主函数中，while(1) 死循环里就是主程序。正常情况下，程序就是在主程序里不断循环执行。当中断条件满足时，主程序就会暂停，自动跳转到中断程序里运行。中断程序执行完之后，再返回主程序继续执行。

        一般中断程序都是在一个子函数里的，这个子函数不需要我们调用。当中断来临时，由硬件自动调用这个函数。

二、STM32的中断通道和中断向量

2.1 中断通道

        中断通道就是中断源的意思。

        可屏蔽中断通道包含EXTI外部中断、TIM定时器、ADC模数转换器、USART串口、SPI通信、I2C通信、RTC实时时钟等多个外设。

2.2 嵌套向量中断控制器NVIC

2.2.1 什么是NVIC

        NVIC就是STM32中用来管理中断、分配优先级的。

        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。

STM32F10xxx产品(小容量、中容量和大容量)的向量表

STM32内核中断：

STM32外设中断：

        表中EXTI0、EXTI1、EXTI2、EXTI3、EXTI4、EXTI9_5、EXTI15_10是外部中断对应的中断资源。

        表的最右边一列是中断对应的地址，这是因为程序中断函数的地址是由编译器来分配的，是不固定的。但是我们的中断跳转，由于硬件的限制，只能跳转到固定的地址执行程序。所以为了能让硬件跳转到一个不固定的中断函数里，这里就需要在内存中定义一个地址的列表。列表地址是固定的，中断发生后，就跳到这个固定的位置。然后在这个固定位置，由编译器再加上一条跳转到中断函数的代码，这样中断跳转就可以跳转到任意位置了。这个中断地址的列表就叫中断向量表，相当于中断跳转的一个跳板。

2.2.2 NVIC基本结构

        NVIC的名字叫做嵌套中断向量控制器。在STM32中，它是用来统一分配中断优先级和管理中断的。NVIC是一个内核外设，是CPU的小助手，NVIC有很多输入口，有多少中断线路都可以接过来,比如图中可以接到EXTI、TIM、ADC、USART等。

        图中线上画了个斜杠，上面写了n，意思是一个外设可能会同时占用多个中断通道，所以这里有n条线。NVIC只有一个输出口，NVIC根据每个中断的优先级分配中断的先后顺序，之后通过右边这一个输出口告诉CPU，该处理哪个中断。对于中断先后分配的任务，CPU不需要知道。

2.2.3抢占优先级和响应优先级

1.抢占优先级：pre-emption priority （先占优先级）

        抢占是指打断其他中断的属性，即低抢占优先级的中断A可以被高抢占优先级的中断B打断，执行完中断服务函数B后，再返回继续执行中断服务函数A，由此会出现中断嵌套。

2.响应优先级：subpriority（从占优先级）

        响应属性应用在抢占属性相同的情况下，也就是当两个中断源的抢占优先级相同时，分以下几种情况处理：

1. 如果两个中断同时到达，则中断控制器会优先处理响应优先级高的中断。
2. 当一个中断到来后，如果正在处理另一个中断，则这个后到的中断就要等到前一个中断处理完之后才能被处理（高优先级的中断不可以打断低响应优先级的中断）。
3. 如果他们的抢占优先级和响应优先级都相等，则根据它们在中断表中的排位顺序决定先处理哪一个。

2.2.4 NVIC的优先级分组

        为了处理不同形式的优先级，STM32的NVIC可以对优先级进行分组，分为抢占优先级和响应优先级。

        NVIC的中断优先级由优先级寄存器的4位（0~15）决定，这4位可以进行切分，分为高n位的抢占优先级和低4-n位的响应优先级

        抢占优先级高的可以中断嵌套，响应优先级高的可以优先排队，抢占优先级和响应优先级均相同的按中断号排队，中断号就是上文向量表中优先级那一列。数值小的优先响应。

        STM32的中断不存在先来后到的排队方式，在任何时候，都是优先级高的先响应。

        这个分组方式可选择，通过调用STM32固件库的函数NVIC_PriorityGroupConfig(); 来选择优先分组方式。选好分组方式之后，在配置优先级的时候要注意抢占优先级和响应优先级的取值范围。不要超出表里规定的取值范围。

三、STM32 外部中断EXTI

3.1EXIT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
• 支持的触发方式：上升沿/下降沿/双边沿/软件触发
• 支持的GPIO口：所有GPIO口，但相同的Pin不能同时触发中断（如PA0、PB0、PC0这样的端口GPIO_Pin一样的不能同时用，只能选1个作为中断引脚。若有多个中断引脚，要选择不同Pin的引脚，如PA6、PA7、PB9、PC0这样的。）
• 通道数：16个GPIO_Pin（对应GPIO_Pin_0到GPIO_Pin_15)，外加PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒、以太网唤醒
• 触发响应方式：中断响应/事件响应

1. 中断响应就是申请中断，让CPU执行中断函数。
2. 事件响应是STM32对外部中断增加的一种额外的功能，当外部中断检测到引脚电平变化时，正常的流程时选择触发中断，但在STM32中也可以选择触发一个事件。如果选择触发事件，那外部中断的信号就不会通向CPU了，而是通向其他外设，用来触发其他外设的操作，如触发ADC转换、触发DMA等。
3. 触发响应方式总结：中断响应是正常流程，引脚电平变化触发中断。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。

3.2EXIT基本结构

        上图为外部中断的整体结构图。最左边是GPIO口的外设，比如GPIOA、GPIOB、GPIOC等等。每个GPIO外设有16个引脚，所以每个GPIO外设都进来16根线。

        上文说到EXTI模块只有16个GPIO的通道，但每个GPIO外设都有16个引脚，如果每个引脚占用一个通道，那EXIT的16个通道显然就不够用了。所以在GPIO外设和EXIT中间会有一个AFIO中断引脚选择的电路模块。

        AFIO就是一个数据选择器，它根据GPIO外设端口的引脚序号不同，把不同GPIO端口的同一个序号的引脚组成一组（如PA0、PB0、PC0、PD0、PE0、PF0、PG0为一组），每组对应一个通道连接到EXIT。所以上文说，相同的Pin不能同时触发中断，因为对于PA0、PB0、PC0这些相同的Pin，通过AFIO选择后，只有其中一个能接到EXIT的通道EXIT0上。这也就是所有的GPIO口都能触发中断，但相同的Pin不能同时触发中断的原因。

        通过AFIO选择之后的16个通道，就接到了EXIT边沿检测及控制电路上。同时下方的PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒、ETH以太网唤醒的外设也是并列接进来的。这些加起来就组成了EXIT的20个输入信号。

        经过EXIT电路之后，分为了两种输出，其中上方的EXTI0、EXTI1、EXTI2、EXTI3、EXTI4、EXTI9_5、EXTI15_10、PVD、RTC、USB、ETH这些接到了NVIC，是用来触发中断的。下方有20条输出线路连接到了其他外设，用来触发其他外设操作的，就是事件响应。

        这里注意，本来20路输入，应该有20路中断输出，但是为了节约NVIC的通道资源，把其中外部中断的9~5分配到一个通道EXTI9_5，中断的15~10也分配到一个通道EXTI15_10。也就是外部中断的9~5会触发同一个中断函数，外部中断的15~10也会触发同一个中断函数。在编程的时候，对这两个中断函数需要再根据标志位来区分是哪个中断进来的。

3.3AFIO复用IO口

• 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：复用功能引脚重映射、中断引脚选择

        上图为AFIO选择中断引脚的结构图。

3.4EXIT框图

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总结

        以上就是今天要讲的内容，本文仅仅简单介绍了STM32的中断基础知识。