STM32F103标准外设库——中断应用/事件控制器(七)

简介: STM32F103标准外设库——中断应用/事件控制器(七)

一、异常类型

       F103 在内核水平上搭载了一个异常响应系统,支持为数众多的系统异常和外部中断。其中系统异常有 8 个(如果把 Reset 和 HardFault 也算上的话就是 10 个),外部中断有 60 个。除了个别异常的优先级被定死外,其它异常的优先级都是可编程的。有关具体的系统异常和外部中断可在标准库文件 stm32f10x.h 这个头文件查询到,在 IRQn_Type 这个结构体里面包含了 F103 系列全部的异常声明。

F103 系统异常清单

F103 外部中断清单

二、NVIC 简介

       我们需要先了解下 NVICNVIC是嵌套向量中断控制器,控制着整个芯片中断相关的功能,它跟内核紧密耦合,是内核里面的一个外设。但是各个芯片厂商在设计芯片的时候会对Cortex-M3 内核里面的 NVIC 进行裁剪,把不需要的部分去掉,所以说STM32的NVIC 是 Cortex-M 3 的 NVIC 的一个子集。

1.NVIC 寄存器简介

       在固件库中,NVIC 的结构体定义可谓是颇有远虑,给每个寄存器都预留了很多位,恐怕为的是日后扩展功能。不过 STM32F103 可用不了这么多,只是用了部分而已。

typedef struct {
__IO uint32_t ISER[8]; // 中断使能寄存器
uint32_t RESERVED0[24];
__IO uint32_t ICER[8]; // 中断清除寄存器
uint32_t RSERVED1[24];
__IO uint32_t ISPR[8]; // 中断使能悬起寄存器
uint32_t RESERVED2[24];
__IO uint32_t ICPR[8]; // 中断清除悬起寄存器
uint32_t RESERVED3[24];
__IO uint32_t IABR[8]; // 中断有效位寄存器
uint32_t RESERVED4[56];
__IO uint8_t IP[240]; // 中断优先级寄存器 (8Bit wide)
uint32_t RESERVED5[644];
__O uint32_t STIR; // 软件触发中断寄存器
} NVIC_Type;

       在配置中断的时候我们一般只用 ISER、ICER 和 IP 这三个寄存器,ISER 用来使能中断,ICER 用来失能中断,IP 用来设置中断优先级。

2.NVIC 中断配置固件库

       固件库文件 core_cm3.h 的最后,还提供了 NVIC 的一些函数,这些函数遵循CMSIS 规则,只要是 Cortex-M3 的处理器都可以使用,具体如下:

        这些库函数我们在编程的时候用的都比较少,甚至基本都不用。在配置中断的时候我们还有更简洁的方法。

三、优先级的定义

1.优先级定义

       在 NVIC有一个专门的寄存器:中断优先级寄存器NVIC_IPRx,用来配置外部中断的优先级,IPR 宽度为 8bit,原则上每个外部中断可配置的优先级为 0~255,数值越小,优先级越高。但是绝大多数 CM3 芯片都会精简设计,以致实际上支持的优先级数减少,在F103 中,只使用了高 4bit

       用于表达优先级的这 4bit,又被分组成抢占优先级和子优先级。如果有多个中断同时响应,抢占优先级高的就会抢占抢占优先级低的优先得到执行,如果抢占优先级相同,就比较子优先级。如 果抢占优先级和子优先级都相同的话,就比较他们的硬件中断编号,编号越小,优先级越高。

2.优先级分组

       优先级的分组由内核外设 SCB 的应用程序中断及复位控制寄存器AIRCR的PRIGROUP[10:8] 位决定,F103 分为了 5 组,具体如下:主优先级 = 抢占优先级

       设置优先级分组可调用库函数 NVIC_PriorityGroupConfig() 实现,有关 NVIC 中断相关的库函数都在库文件 misc.c 和 misc.h 中。

/**
  * 配置中断优先级分组:抢占优先级和子优先级
  * 形参如下:
  * @arg NVIC_PriorityGroup_0: 0bit for 抢占优先级
  * 4 bits for 子优先级
  * @arg NVIC_PriorityGroup_1: 1 bit for 抢占优先级
  * 3 bits for 子优先级
  * @arg NVIC_PriorityGroup_2: 2 bit for 抢占优先级
  * 2 bits for 子优先级
   * @arg NVIC_PriorityGroup_3: 3 bit for 抢占优先级
   * 1 bits for 子优先级
   * @arg NVIC_PriorityGroup_4: 4 bit for 抢占优先级
   * 0 bits for 子优先级
   * @ 注意 如果优先级分组为 0,则抢占优先级就不存在,优先级就全部由子优先级控制
   */
   void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup)
   {
       // 设置优先级分组
       SCB->AIRCR = AIRCR_VECTKEY_MASK | NVIC_PriorityGroup;
   }

四、中断编程

在配置每个中断的时候一般有 3 个编程要点:

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。比如串口有发送完成中断,接收完成中断,这两个中断都由串口控制寄存器的相关中断使能位控制。  

2. 初始化 NVIC_InitTypeDef 结构体,配置中断优先级分组,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。

typedef struct {
    uint8_t NVIC_IRQChannel; // 中断源
    uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority; // 抢占优先级
    uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority; // 子优先级
    FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd; // 中断使能或者失能
 }  NVIC_InitTypeDef;

有关 NVIC 初始化结构体的成员我们一一解释下:

typedef enum IRQn {
  //Cortex-M3 处理器异常编号
  NonMaskableInt_IRQn = -14,
  MemoryManagement_IRQn = -12,
  BusFault_IRQn = -11,
  UsageFault_IRQn = -10,
  SVCall_IRQn = -5,
  DebugMonitor_IRQn = -4,
  PendSV_IRQn = -2,
  SysTick_IRQn = -1,
  //STM32 外部中断编号
   WWDG_IRQn = 0,
   PVD_IRQn = 1,
   TAMP_STAMP_IRQn = 2,
 
 // 限于篇幅,中间部分代码省略,具体的可查看库文件 stm32f10x.h
 
   DMA2_Channel2_IRQn = 57,
   DMA2_Channel3_IRQn = 58,
   DMA2_Channel4_5_IRQn = 59
  } IRQn_Type;

a. 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。

b. NVIC_IRQChannelPreemptionPriority:抢占优先级,具体的值要根据优先级分组来确定,具体参考表格优先级分组真值表 优先级分组真值表。

c. NVIC_IRQChannelSubPriority:子优先级,具体的值要根据优先级分组来确定,具体参考表格优先级分组真值表 优先级分组真值表。

d. NVIC_IRQChannelCmd:中断使能(ENABLE)或者失能(DISABLE)。操作的是 NVIC_ISER 和 NVIC_ICER 这两个寄存器。

编写中断服务函数

       在启动文件 startup_stm32f10x_hd.s 中我们预先为每个中断都写了一个中断服务函数,只是这些中断函数都是为空,为的只是初始化中断向量表。实际的中断服务函数都需要我们重新编写,为了方便管理我们把中断服务函数统一写在 stm32f10x_it.c 这个库文件中。

五、EXTI 简介

       EXTI(External interrupt/event controller)—外部中断/事件控制器,管理了控制器的 20 个中断/事件线。每个中断/事件线都对应有一个边沿检测器,可以实现输入信号的上升沿检测和下降沿的检测。EXTI 可以实现对每个中断/事件线进行单独配置,可以单独配置为中断或者事件,以及触 发事件的属性

1.EXTI 功能框图

       EXTI 的功能框图包含了 EXTI 最核心内容,掌握了功能框图,对EXTI 就有一个整体的把握,在编程时思路就非常清晰。

       在图 EXTI 功能框图 可以看到很多在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。

      EXTI0 至 EXTI15 用于 GPIO,通过编程控制可以实现任意一个 GPIO 作为 EXTI 的输入源。由表 EXTI 中断事件线 可知,EXTI0 可以通过 AFIO 的外部中断配置寄存器 1(AFIO_EXTICR1) 的 EXTI0[3:0] 位选择配置为 PA0、PB0、PC0、PD0、PE0、PF0、PG0、PH0 或者 PI0,见图 EXTI0 输入源选择 。其他 EXTI 线 (EXTI 中断/事件线) 使用配置都是类似的。

       EXTI 可分为两大部分功能,一个是产生中断,另一个是产生事件,这两个功能从硬件上就有所不同。

       首先我们来看图 EXTI 功能框图中红色虚线指示的电路流程。它是一个产生中断的线路,最终信号流入到 NVIC 控制器内。

编号 1 是输入线,EXTI 控制器有19个中断/事件输入线,这些输入线可以通过寄存器设置为任 意一个 GPIO,也可以是一些外设的事件。输入线一般是存 在电平变化的信号。

编号 2 是一个边沿检测电路,它会根据上升沿触发选择寄存器 (EXTI_RTSR) 和下降沿触发选择寄存器 (EXTI_FTSR) 对应位的设置来控制信号触发。边沿检测电路以输入线作为信号输入端,如果检测到有边沿跳变就输出有效信号 1 给编号 3 电路,否则输出无效信号 0。而 EXTI_RTSR 和EXTI_FTSR 两个寄存器可以控制需要检测哪些类型的电平跳变过程,可以是只有上升沿触发、只 有下降沿触发或者上升沿和下降沿都触发。

编号 3 电路实际就是一个或门电路,它的一个输入来自编号 2 电路,另外一个输入来自软件中断事件寄存器 (EXTI_SWIER)。EXTI_SWIER 允许我们通过程序控制就可以启动中断/事件线,这在 某些地方非常有用。我们知道或门的作用就是有 1 就为 1,所以这两个输入随便一个有有效信号 1 就可以输出 1 给编号 4 和编号 6 电路。

编号 4 电路是一个与门电路,它的一个输入是编号 3 电路,另外一个输入来自中断屏蔽寄存器 (EXTI_IMR)。与门电路要求输入都为 1 才输出 1,导致的结果是如果 EXTI_IMR 设置为 0 时,那 不管编号 3 电路的输出信号是 1 还是 0,最终编号 4 电路输出的信号都为 0;如果 EXTI_IMR 设置为 1 时,最终编号 4 电路输出的信号才由编号 3 电路的输出信号决定,这样我们可以简单 的控制 EXTI_IMR 来实现是否产生中断的目的。编号 4 电路输出的信号会被保存到挂起寄存器 (EXTI_PR) 内,如果确定编号 4 电路输出为 1 就会把 EXTI_PR 对应位置 1。

编号 5 是将 EXTI_PR 寄存器内容输出到 NVIC 内,从而实现系统中断事件控制。 接下来我们来看看绿色虚线指示的电路流程。它是一个产生事件的线路,最终输出一个脉冲信号。

产生事件线路是在编号 3 电路之后与中断线路有所不同,之前电路都是共用的。

编号 6 电路是一个与门,它的一个输入来自编号 3 电路,另外一个输入来自事件屏蔽寄存器 (EXTI_EMR)。如果 EXTI_EMR 设置为 0 时,那不管编号 3 电路的输出信号是 1 还是 0,最终编号 6 电路输出的信号 都为 0;如果 EXTI_EMR 设置为 1 时,最终编号 6 电路输出的信号才由编号 3 电路的输出信号决 定,这样我们可以简单的控制 EXTI_EMR 来实现是否产生事件的目的。

编号 7 是一个脉冲发生器电路,当它的输入端,即编号 6 电路的输出端,是一个有效信号 1 时就会产生一个脉冲;如果输入端是无效信号就不会输出脉冲。

编号 8 是一个脉冲信号,就是产生事件的线路最终的产物,这个脉冲信号可以给其他外设电路使 用,比如定时器 TIM、模拟数字转换器 ADC 等等,这样的脉冲信号一般用来触发 TIM 或者 ADC 开始转换。

产生中断线路目的是把输入信号输入到 NVIC,进一步会运行中断服务函数,实现功能,这样是软件级的。而产生事件线路目的就是传输一个脉冲信号给其他外设使用,并且是电路级别的信号传输,属于硬件级的。

2.EXTI 初始化结构体详解

       标准库函数对每个外设都建立了一个初始化结构体,比如 EXTI_InitTypeDef,结构体成员用于设置外设工作参数,并由外设初始化配置函数,比如 EXTI_Init() 调用,这些设定参数将会设置外设相应的寄存器,达到配置外设工作环境的目的。

       初始化结构体和初始化库函数配合使用是标准库精髓所在,理解了初始化结构体每个成员意义基本上就可以对该外设运用自如了。初始化结构体定义在 stm32f10x_exti.h 文件中,初始化库函数定义在 stm32f10x_exti.c 文件中,编程时我们可以结合这两个文件内注释使用。

typedef struct {
    uint32_t EXTI_Line; // 中断/事件线
    EXTIMode_TypeDef EXTI_Mode; // EXTI 模式
    EXTITrigger_TypeDef EXTI_Trigger; // 触发类型
    FunctionalState EXTI_LineCmd; // EXTI 使能
} EXTI_InitTypeDef;

(1) EXTI_Line:EXTI 中断/事件线选择,可选 EXTI0 至 EXTI19,可参考表 EXTI 中断 _ 事件线 选择。

(2) EXTI_Mode:EXTI 模式选择,可选为产生中断 (EXTI_Mode_Interrupt) 或者产生事件 (EXTI_Mode_Event)。

(3) EXTI_Trigger:EXTI 边沿触发事件,可选上升沿触发 (EXTI_Trigger_Rising)、下降沿触发 ( EXTI_Trigger_Falling) 或者上升沿和下降沿都触发 ( EXTI_Trigger_Rising_Falling)。

(4) EXTI_LineCmd:控制是否使能 EXTI 线,可选使能 EXTI 线 (ENABLE) 或禁用 (DISABLE)。

六、外部中断控制实验

       中断在嵌入式应用中占有非常重要的地位,几乎每个控制器都有中断功能。中断对保证紧急事件 得到第一时间处理是非常重要的。

1.硬件设计

       轻触按键在按下时会使得引脚接通,通过电路设计可以使得按下时产生电平变化,我们设计使用外接的按键来作为触发源,使得控制器产生中断,并在中断服务函数中实现控制 RGB 彩灯的任务。

2.软件设计

(1)编程要点

       1) 初始化用来产生中断的 GPIO;

       2) 初始化 EXTI;

       3) 配置 NVIC;

       4) 编写中断服务函数;

(2)按键和 EXTI 宏定义

 
//引脚定义
#define KEY1_INT_GPIO_PORT         GPIOA
#define KEY1_INT_GPIO_CLK          (RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_AFIO)
#define KEY1_INT_GPIO_PIN          GPIO_Pin_0
#define KEY1_INT_EXTI_PORTSOURCE   GPIO_PortSourceGPIOA
#define KEY1_INT_EXTI_PINSOURCE    GPIO_PinSource0
#define KEY1_INT_EXTI_LINE         EXTI_Line0
#define KEY1_INT_EXTI_IRQ          EXTI0_IRQn
 
#define KEY1_IRQHandler            EXTI0_IRQHandler
 
 
#define KEY2_INT_GPIO_PORT         GPIOC
#define KEY2_INT_GPIO_CLK          (RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_AFIO)
#define KEY2_INT_GPIO_PIN          GPIO_Pin_13
#define KEY2_INT_EXTI_PORTSOURCE   GPIO_PortSourceGPIOC
#define KEY2_INT_EXTI_PINSOURCE    GPIO_PinSource13
#define KEY2_INT_EXTI_LINE         EXTI_Line13
#define KEY2_INT_EXTI_IRQ          EXTI15_10_IRQn
 
#define KEY2_IRQHandler            EXTI15_10_IRQHandler

        使用宏定义方法指定与硬件电路设计相关配置,这对于程序移植或升级非常有用的。

(3)嵌套向量中断控制器NVIC 配置

/**
  * @brief  配置嵌套向量中断控制器NVIC
  * @param  无
  * @retval 无
  */
static void NVIC_Configuration(void)
{
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  
  /* 配置NVIC为优先级组1 */
  /* 提示 NVIC_PriorityGroupConfig() 在整个工程只需要调用一次来配置优先级分组*/
  NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);
  
  /* 配置中断源:按键1 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = KEY1_INT_EXTI_IRQ;
  /* 配置抢占优先级 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
  /* 配置子优先级 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
  /* 使能中断通道 */
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
  
  /* 配置中断源:按键2,其他使用上面相关配置 */  
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = KEY2_INT_EXTI_IRQ;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

(4) EXTI 中断配置

/**
  * @brief  配置 IO为EXTI中断口,并设置中断优先级
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void EXTI_Key_Config(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; 
  EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
 
  /*开启按键GPIO口的时钟*/
  RCC_APB2PeriphClockCmd(KEY1_INT_GPIO_CLK,ENABLE);
    RCC_APB2PeriphClockCmd(KEY2_INT_GPIO_CLK,ENABLE);
                        
  /* 配置 NVIC 中断*/
  NVIC_Configuration();
  
/*--------------------------KEY1配置-----------------------------*/
  /* 选择按键用到的GPIO */ 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY1_INT_GPIO_PIN;
  /* 配置为浮空输入 */ 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
  GPIO_Init(KEY1_INT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
 
  /* 选择EXTI的信号源 */
  GPIO_EXTILineConfig(KEY1_INT_EXTI_PORTSOURCE, KEY1_INT_EXTI_PINSOURCE); 
  EXTI_InitStructure.EXTI_Line = KEY1_INT_EXTI_LINE;
  
  /* EXTI为中断模式 */
  EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
  /* 上升沿中断 */
  EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
  /* 使能中断 */  
  EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
  EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
  
  /*--------------------------KEY2配置-----------------------------*/
  /* 选择按键用到的GPIO */ 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = KEY2_INT_GPIO_PIN;
  /* 配置为浮空输入 */ 
  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
  GPIO_Init(KEY2_INT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
 
  /* 选择EXTI的信号源 */
  GPIO_EXTILineConfig(KEY2_INT_EXTI_PORTSOURCE, KEY2_INT_EXTI_PINSOURCE); 
  EXTI_InitStructure.EXTI_Line = KEY2_INT_EXTI_LINE;
  
  /* EXTI为中断模式 */
  EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
  /* 下降沿中断 */
  EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
  /* 使能中断 */  
  EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
  EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
}

       首先,使用 GPIO_InitTypeDef 和 EXTI_InitTypeDef 结构体定义两个用于 GPIO 和 EXTI 初始化配 置的变量。

       使用 GPIO 之前必须开启 GPIO 端口的时钟;用到 EXTI 必须开启 AFIO 时钟。

       调用 NVIC_Configuration 函数完成对按键 1、按键 2 优先级配置并使能中断通道。             作为中断/事件输入线时需把 GPIO 配置为输入模式,具体为浮空输入,由外部电路完全决定引脚的状态。 GPIO_EXTILineConfig 函数用来指定中断/事件线的输入源,它实际是设定外部中断配置寄存器AFIO_EXTICRx 值,该函数接收两个参数,第一个参数指定 GPIO 端口源,第二个参数为选择对应 GPIO 引脚源编号。

       我们的目的是产生中断,执行中断服务函数,EXTI 选择中断模式,按键 1 使用上升沿触发方式, 并使能 EXTI 线。

       按键 2 基本上采用与按键 1 相关参数配置,只是改为下降沿触发方式。

(5) EXTI 中断服务函数

       

void KEY1_IRQHandler(void)
{
  //确保是否产生了EXTI Line中断
  if(EXTI_GetITStatus(KEY1_INT_EXTI_LINE) != RESET) 
  {
    // LED1 取反    
    LED1_TOGGLE;
    //清除中断标志位
    EXTI_ClearITPendingBit(KEY1_INT_EXTI_LINE);     
  }  
}
 
void KEY2_IRQHandler(void)
{
  //确保是否产生了EXTI Line中断
  if(EXTI_GetITStatus(KEY2_INT_EXTI_LINE) != RESET) 
  {
    // LED2 取反    
    LED2_TOGGLE;
    //清除中断标志位
    EXTI_ClearITPendingBit(KEY2_INT_EXTI_LINE);     
  }  
}

       当中断发生时,对应的中断服务函数就会被执行,我们可以在中断服务函数实现一些控制。

        一般为确保中断确实发生,我们会在中断服务函数中调用中断标志位状态读取函数读取外设中断标志位并判断标志位状态。

       EXTI_GetITStatus 函数用来获取 EXTI 的中断标志位状态,如果 EXTI 线有中断发生函数返回 “SET”否则返回“RESET”。实际上,EXTI_GetITStatus 函数是通过读取 EXTI_PR 寄存器值来判 断EXTI 线状态的。

       按键 1 的中断服务函数我们让 LED1 翻转其状态,按键 2 的中断服务函数我们让 LED2 翻转其状态。执行任务后需要调用 EXTI_ClearITPendingBit 函数清除 EXTI 线的中断标志位。

(6)主函数

/**
  * @brief  主函数
  * @param  无
  * @retval 无
  */ 
int main(void)
{
  /* LED 端口初始化 */
  LED_GPIO_Config();
      
  /* 初始化EXTI中断,按下按键会触发中断,
  *  触发中断会进入stm32f4xx_it.c文件中的函数
  *  KEY1_IRQHandler和KEY2_IRQHandler,处理中断,反转LED灯。
  */
  EXTI_Key_Config(); 
  
  /* 等待中断,由于使用中断方式,CPU不用轮询按键 */
  while(1)                            
  {
  }
}


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