12 . 中断

Posted 2021-06-09 技术世界低调点儿

中断介绍

中断就是当CPU 执行程序时，由于发生了某种随机的事件(外部或内部)，引起CPU 暂时中断正在运行的程序，转去执行一段特殊的服务程序(中断服务子程序或中断处理程序)，以处理该事件，该事件处理完后又返回被中断的程序继续执行，这一过程就称为中断，引发中断的称为中断源。比如：看电视时突然门铃响，那么门铃响就相当于中断源。有些中断还能够被其他高优先级的中断所中断，那么这种情况又叫做中断的嵌套。中断示意图如图所示：

Crotex-M3 内核支持256 个中断，其中包含了16 个内核中断和240 个外部中断。
但STM32 并没有使用M3 内核的全部东西，而是只用了它的一部分。STM32F10x 芯片有84 个中断通道，包括16 个内核中断和68 个可屏蔽中断，对于STM32F103 系列芯片只有60 个可屏蔽中断，在STM32F107 系列才有68 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。这些中断通道已按照不同优先级顺序固定分配给相应的外部设备。从STM32F10x 中文参考手册的中断向量表可以知道具体分配到那些外设，这里只截取一部分，中断向量表如图所示：

NVIC 介绍

NVIC 英文全称是Nested Vectored Interrupt Controller，中文意思就是嵌套向量中断控制器，它属于M3 内核的一个外设，控制着芯片的中断相关功能。由于ARM 给NVIC 预留了非常多的功能，但对于使用M3 内核设计芯片的公司可能就不需要这么多功能，于是就需要在NVIC 上裁剪。ST 公司的STM32F103 芯片内部中断数量就是NVIC 裁剪后的结果。上面说到NVIC 控制着芯片的中断相关功能，那么肯定有很多对应的寄存器，在固件库core_cm3.h 文件内定义了一个NVIC 结构体，里面定义了相关寄存器，
如下：

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
uint32_t RESERVED5[644];
__O uint32_t STIR; //软件触发中断寄存器
} NVIC_Type;

在配置中断时，我们通常使用的只有ISER、ICER 和IP 这三个寄存器：
ISER 是中断使能寄存器，ICER 是中断清除寄存器，IP 是中断优先级寄存器。在固件库core_cm3.h 文件后面，还提供了一些对NVIC 操作的库函数，这些函数都是遵循CMSIS 标准，所以只要是基于Cortex-M3 内核的芯片都可以用这些函数来操作NVIC，只不过我们很少这样做，甚至不使用这些函数，因为在后面我们会有更简单的办法来配置中断。至于这些函数内容，可以打开库函数版本任意程序，找到core_cm3.h 文件查看即可。

中断优先级

前面说了STM32F103 芯片支持60 个可屏蔽中断通道，每个中断通道都具备自己的中断优先级控制字节(8 位，理论上每个外部中断优先级可以设置为0-255，数值越小，优先级越高。但是STM32F103 中只使用4 位，高4 位有效)，用于表达优先级的高4 位又被分组成抢占式优先级和响应优先级，通常也把响应优先级称为“亚优先级”或“副优先级”，每个中断源都需要被指定这两种优先
级。高抢占式优先级的中断事件会打断当前的主程序或者中断程序运行，俗称中断嵌套。在抢占式优先级相同的情况下，高响应优先级的中断优先被响应。当两个中断源的抢占式优先级相同时，这两个中断将没有嵌套关系，当一个中断到来后，如果正在处理另一个中断，这个后到来的中断就要等到前一个中断处理完之后才能被处理。如果这两个中断同时到达，则中断控制器根据他们的响应优先级高低来决定先处理哪一个；如果他们的抢占式优先级和响应优先级都相等，则根据他们在中断表中的排位顺序决定先处理那一个，越靠前的先执行。STM32F103 中指定中断优先级的寄存器位有4 位，这4 位的分组方式如图：

第0 组：所有4 位用于指定响应优先级
第1 组：最高1 位用于指定抢占式优先级，最低3 位用于指定响应优先级
第2 组：最高2 位用于指定抢占式优先级，最低2 位用于指定响应优先级
第3 组：最高3 位用于指定抢占式优先级，最低1 位用于指定响应优先级
第4 组：所有4 位用于指定抢占式优先级

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，所以当使用到中断时， 一定要记得把misc.c 和misc.h 添加到工程组中。

NVIC_PriorityGroupConfig()函数代码如下：

void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup)
{
/* Check the parameters */
assert_param(IS_NVIC_PRIORITY_GROUP(NVIC_PriorityGroup));
/* Set the PRIGROUP[10:8] bits according to NVIC_PriorityGroup
value */
SCB->AIRCR = AIRCR_VECTKEY_MASK | NVIC_PriorityGroup;
}

NVIC_PriorityGroupConfig 函数带一个形参用于中断优先级分组，该值范围可以是
NVIC_PriorityGroup_0-NVIC_PriorityGroup_4，对应优先级与占用的位数信息如下：

函数内最终将分组值给SCB->AIRCR，说明控制中断优先级寄存器是内核外设SCB 的AIRCR 寄存器的PRIGROUP[10:8]位。

中断配置

前面讲解了那么多中断知识，如果大家不理解也没有关系，我们会应用即可，等到后面STM32 熟练了，再回过头深入了解自然就会明白。要使用中断我们就需要先配置它，通常都需经过这几步：
（1）使能外设某个中断，这个具体是由外设相关中断使能位来控制，比如定时器有溢出中断，这个可由定时器的控制寄存器中相应中断使能位来控制。
（2）设置中断优先级分组，初始化NVIC_InitTypeDef 结构体，设置抢占优先级和响应优先级，使能中断请求。
NVIC_InitTypeDef 结构体如下：

typedef struct
{
uint8_t NVIC_IRQChannel; //中断源
uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority; //抢占优先级
uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority; //响应优先级
FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd; //中断使能或失能
} NVIC_InitTypeDef;

下面我们对NVIC_InitTypeDef 结构体成员进行一下简单介绍。

1.NVIC_IRQChannel：中断源的设置，不同的外设中断，中断源不一样，自然名字也不一样，所以名字不能写错，否则不会进入中断。中断源放在stm32f10x.h 文件的IRQn_Type 结构体内，由于内容太多，这里就不复制所有中断源，只截取一部分，如下：

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;

2.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority：抢占优先级，具体的值要根据优先级分组来确定，可以参考前面中断优先级分组内容。
3.NVIC_IRQChannelSubPriority：响应优先级，具体的值要根据优先级分组来确定，可以参考前面中断优先级分组内容。
4.NVIC_IRQChannelCmd：中断使能/失能设置，使能配置为ENABLE，失能配置为DISABLE。

（3）编写中断服务函数
配置好中断后如果有触发，即会进入中断服务函数，那么中断服务函数也有固定的函数名，可以在startup_stm32f10x_hd.s 启动文件查看，启动文件提供的只是一个中断服务函数名，具体实现什么功能还需要我们自己编写，可以将中断服务函数放在stm32f10x_it.c 文件内，也可以放在自己的应用程序中。通常我们把中断函数放在应用程序中。这里提醒一下，不要任意修改中断服务函数名，因为启动文件内中断服务函数名已经固定，如果要修改，你还必须在启动文件内把原中断函数修改。