STM32——理解中断与中断配置

前言：本文将从”这是什么？“ ”为什么需要它？“ “如何配置操作它”三个角度展开讨论分析

中断简介

抢占优先级和子优先级

中断分组

配置要点

EXTI

EXTI框图讲解

信号产生过程

编程要点

中断简介

中断，即机器运行过程中出现某些意外情况，需要机器停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕之后又返回原来被暂停的程序继续运行。

理解中断

想象一个这样的场景：

你在认真的敲代码，你妈喊你出房间去客厅吃饭，并且以不出来就拔网线为威胁。这时候你能怎么办？只能乖乖保存好现在的进度，然后出去恰饭，恰完之后再回来打开之前的文件继续敲咯。

我们分析一下上面的场景：

正在敲代码——正在执行的事件
你妈喊你吃饭——中断源
你听到你妈喊你吃饭——接收到中断请求
威胁你——事件优先级别高
保存已经写好的部分——保存现场（中断响应）
去吃饭——执行中断事件
吃完饭回房间——中断返回
打开文件继续敲代码——恢复现场

对于机器来说也是一样，无论是内核出现问题（异常），还是因为存在其他比当前正在执行的程序的优先级更高的事件发生（外部中断），都会打断当前运行的程序，去处理更加重要的事情。

毕竟，就算机器的运算速度很快，处理事件也有先后之分不是？

接下来，让我们再次回到刚刚那个场景，考虑下面两种情况：

当正在吃饭的时候，你忽然又想去WC解决下个人问题。这时你会停止吃饭的这个动作，然后去WC解决完之后再回来吃饭。吃完饭才会继续。
当正在吃饭的时候，你收到快递小哥的短信，告诉你丰巢的验证码可以取件的时候，你肯定会先吃完饭，然后去取完快递之后（也可能先在那放着不取）再回房间敲代码。

对于情况1而言，为了避免某些比较尴尬的事情发生，先去WC再回来吃饭几乎是必然选择。因为它比吃饭紧急。而对于情况2而言，取快递相对来说没那么急迫的需求，所以一般而言我们都会先吃晚饭，再去拿快递，最后再回房间敲代码。

当然如果敲代码比较着急，那么拿快递这件事情自然就得等到我们敲完代码之后再做了。

从上面两个场景中，我们很容易得发现中断时可以嵌套的，且它有一定的优先级概念。

很显然，我们的日常生活中也会有许多中断事件。我们人脑是怎么处理它们的？认真思考不难发现，其实对于很多事件，我们早就给他们定义了优先级。而定义这些事件的优先级并严格执行的就是我们的大脑。

对于CPU来说也一样，当中断事件很少的时候，不需要分门别类的整理，直接比较判断优先级就可以了。

而对于中断事件较多的复杂系统，对于事件的分组和优先级设置也就成了刚需。

下面进入到正题，以STM32F10x的中断系统为例，展开学习。

STM32中的中断设置

我们知道，STM32用的是Cortex-M3内核

而CM3内核支持256个中断，256级可编程设置（优先级设置），其中：

内核中断16个
外设中断240个

且以上配置属于STM32中的顶配，具体的STM32F103系列只有：

内核中断16个
外设中断44个

小结一下以上的数据，可以发现，实际中断事件的多少取决于芯片的定位。高端的，即外设多的，芯片中断必然多，反之必然少。

NVIC

而要处理那么多的中断事件，CM3内核给出的解决方案是——用NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)嵌套向量中断控制器

NVIC首先定义了一段地址区域，（一般从0地址开始）用于存放中断事件服务函数的地址。定义的这段地址就称为中断向量表。

以上是《stm32f10x中文参考手册》中的截图

可以看到它一个地址对应着一个中断事件，其中灰色部分是内核相关的中断的位置。每一条指令执行完之后，系统都会检查一遍看看有没有中断事件发生。如果有的话，就会在中断向量表中找到对应的中断事件，执行中断事件所在地址指向的函数（即中断函数）。

也就是因为中断事件所在的地址存的是一个地址，它指向的是该中断对应发生的事件（函数）。所以其实中断向量表这个名字起的很符合它的实际含义——表里的是一个个有指向的值。

至于定义这些中断事件的优先级和它们具体是干嘛的，NVIC把设置的权利交给了开发者，它只给了可以完成相关操作的寄存器组。

/** @addtogroup CMSIS_CM3_NVIC CMSIS CM3 NVICmemory mapped structure for Nested Vectored Interrupt Controller (NVIC)@{*/
typedef struct
{__IO uint32_t ISER[8];                      /*!< Offset: 0x000  Interrupt Set Enable Register           */uint32_t RESERVED0[24];                                   __IO uint32_t ICER[8];                      /*!< Offset: 0x080  Interrupt Clear Enable Register         */uint32_t RSERVED1[24];                                    __IO uint32_t ISPR[8];                      /*!< Offset: 0x100  Interrupt Set Pending Register          */uint32_t RESERVED2[24];                                   __IO uint32_t ICPR[8];                      /*!< Offset: 0x180  Interrupt Clear Pending Register        */uint32_t RESERVED3[24];                                   __IO uint32_t IABR[8];                      /*!< Offset: 0x200  Interrupt Active bit Register           */uint32_t RESERVED4[56];                                   __IO uint8_t  IP[240];                      /*!< Offset: 0x300  Interrupt Priority Register (8Bit wide) */uint32_t RESERVED5[644];                                  __O  uint32_t STIR;                         /*!< Offset: 0xE00  Software Trigger Interrupt Register     */
}  NVIC_Type;
/*@}*/ /* end of group CMSIS_CM3_NVIC */

在固件库头文件core_cm3.h中可以找到以上NVIC的寄存器组映射

其中如果我们使用寄存器编程的话，最关心的三个寄存器是：

ISER：Interrupt Set Enable Register ，中断使能设置寄存器
ICER：Interrupt Clear Enable Register,中断使能清除寄存器
IP：Interrupt Priority Register,中断优先级寄存器

在这里满，中断优先级寄存器是需要我们着重研究的。有意思的是，固件库命名的时候对于该寄存器的简写直接只用IP，而不是IPR，害我一度怀疑这两个是不是同一个东西。直到我查了手册才确定是一个东西。

IPR中断优先级寄存器

原CM3设计中，NVIC_IPRx用于配置外部中断的优先级。IPR宽度为8bit，理论上可以配置的优先级为0-255，数值越小优先级越高。但和大多数的CM3芯片设计都会精简一样，STM32也做了相关的精简设计，只用了高4bit.也就是说，实际上STM32允许配置的优先级只有16个

抢占优先级和子优先级

CM3把优先级划分成了抢占优先级和子优先级（又叫响应优先级）。即，对于同一个中断事件，它有抢占优先级和子优先级两个优先级。

为什么要这么设置？

因为如果只是简单的一种优先级的话，太过粗线条了。像CM3内核设置最多有256级，即使是stm32也有16级，级数太多，没有主次不方便使用和管理。

类比我们平时生活中的状态，就像社会上有256个人，每个的级别都一样，估计你会眼花缭乱，解决这个问题的办法就是把这256级的中断分类归层，层级内再分子级的分层管理形式，达到压缩层级的效果。如先分统治阶级，奴隶主、奴隶等，同一阶级在区分小级别。

对应于中断分组就是，把256级优先级根据本工程的需求，先规定了中断层数（即抢占优先级）和每层有多少小级别个数。

抢占优先级和子优先级比较

只有当抢占优先级相同的时候，子优先级才会发挥作用。若子优先级也相同，就去比较两个外设的硬件终端编号，即该中断在中断向量表中的位置，同样是编号越小，优先级越高的原则。

值得注意的是抢占式优先级和子优先级还有些许差别：

抢占优先级：无关中断产生的先后，只比较优先级的高低。优先级高的中断信号即使比中断优先级低的中断信号后到，也可以直接中断优先级低的事件直接抢占系统资源。
子优先级：当两个中断信号有相同的抢占优先级，分两种情况考虑:
- 两个信号同时到达，子优先级高的中断先响应
- 子优先级低的中断事件正在发生，子优先级高的中断信号刚到的时，需要等到当前中断完成后，在执行刚到的中断信号。

中断分组

从前面的讨论中我们可以知道，为了中断更加可控，CM3内核做了两种优先级的分层机制。

但是对于不同的需求，我们对于阶层和小阶级的数量要求也是不同的，以身份证为例，在发放身份证之前，我们要总体考虑全国要分多少个区域，然后确定地区需要设置几位数才够。熟悉计算机网络的朋友可以发现，这里其实和子网划分是一个道理。

到这里，我们也可以看到，在一个工程中，我们一般只会设置一次，且每次只设置一个分组。还是拿身份证举例，你不可能前一秒还说身份证前3位表示A省，下一秒就说前4位表示B省吧？编码格式统一是一切的基础。

所以，我们平时在设置分组时，若不是非常特殊的需求

一个工程只设置一次分组!!!

重要的事情说三遍！！！

这个分组管理的设置由内核外设SCB_AIRCR(应用程序中断及复位控制寄存器)的prigroup[10:8]控制。

因为它通过3bit控制，所以理论上可以分成8组（0-7组），其中每组可设置的抢占优先级和子优先级的位数时不同的。

如上图，可以看到，随着组号的增大，抢占优先级可设置的位越少，子优先级越多。

上面这种分组时针对IPR里的8bits都用上的情况设计的，而我们知道STM32的NVIC是CM3的NVIC的子集，只用了IPR的高4bits，所以分组自然而然就减少了。

有了以上的原理性的认知之后，我们可以进入到编程配置环节。

配置要点

使能某个中断
中断分组
初始化NVIC_InitTypeDef结构体
- 设置中断源
- 设置抢着优先级和子优先级
- 配置中断使能/失能
编写中断服务函数（就是中断发生之后，告诉机器去干嘛）

上面的流程中提到的NVIC_InitTypeDef结构体，就是如下图中的：

** * @brief  NVIC Init Structure definition  */typedef struct
{uint8_t NVIC_IRQChannel;                    /*!< Specifies the IRQ channel to be enabled or disabled.This parameter can be a value of @ref IRQn_Type (For the complete STM32 Devices IRQ Channels list, pleaserefer to stm32f10x.h file) */uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority;  /*!< Specifies the pre-emption priority for the IRQ channelspecified in NVIC_IRQChannel. This parameter can be a valuebetween 0 and 15 as described in the table @ref NVIC_Priority_Table */uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority;         /*!< Specifies the subpriority level for the IRQ channel specifiedin NVIC_IRQChannel. This parameter can be a valuebetween 0 and 15 as described in the table @ref NVIC_Priority_Table */FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd;         /*!< Specifies whether the IRQ channel defined in NVIC_IRQChannelwill be enabled or disabled. This parameter can be set either to ENABLE or DISABLE */
} NVIC_InitTypeDef;

它跟NVIC_Type结构体的区别在于，NVIC_Type只是寄存器组的映射，而NVIC_InitTypeDef是固件库抽象提炼出来帮助我们简化配置流程用的。

下面我们以一个实例体会上述的过程。

EXTI

EXTI(External interrupt/event controller)——外部中断/事件控制器，用于管理控制器的20个中断/事件线（互联型才有20根，其他类型只有19根）。

NVIC和EXTI的关系

我们首先来理一理这东西根NVIC的关系：

1、NVIC是CM3内核的东西，它用于整个整个芯片的中断控制。而EXTI是ST公司设计用于控制外设的，它不是内核里面的东西。

2、EXTI通过魔改引出的NVIC中的20根中断信号线，对外设事件的控制能力进一步增强了。

在这里，我们先理清三个概念：

事件
中断
中断事件

比如一老师在教室里面给学生上课，课堂上的学生可能做出各种行为的动作，比如做笔记，打哈欠，翻书包，讲小话等，我们把这些行为统称为事件，其中有些行为老师往往只是视而不见，继续他的上课；而有些行为可能导致老师的上课中止，比方讲小话，并对学生的行为予以警告、批评或纠正等，然后继续上课。我们把老师因为学生的某些行为而中止授课，并产生后续动作，之后接着上课的这个过程理解为中断或中断响应。我们把可能导致老师上课中断的学生行为理解为中断事件。

EXTI框图讲解

下面，我们结合EXTI框图理解上述的概念。

首先，我们对上述的整个框图有个大概的认识：

绿色+红色部分：跟外设连接在一起。绿色部分用于和蓝色部分信息交互，红色部分用于传输事件信号。
蓝色部分：寄存器组，用于控制事件信号的采集和走向。
黄色部分：两个输出端，用于事件信号的输出，中断信号去NVIC，非中断信号用于其他外设（如DMA）

信号产生过程

下面我们分析下两者的产生过程：

如上图所示，首先会经过边沿检测电路，这个检测电路会通过查看上边沿触发和下边沿触发寄存器的值，去判断信号到底在哪个边沿采集。（所谓上边沿和下边沿，即电平从低->高或者高->低变化时的那条竖直边）

经过边沿检测电路之后，就来到上图中的3位置，这里是个或门连接着输入信号和软件中断事件寄存器，也就是说，除了信号触发中断之外，我们还可以通过控制相关的寄存器从而产生中断。

我们先来看看中断的产生过程：

首先中断请求信号会先进入请求挂起寄存器。这个寄存器的存在意义在于，如果中断发生时，正在处理同级或高优先级中断，则中断不能立即得到响应，此时中断被悬起。悬挂意味着等待而不是舍去，当优先级高的或者同等级的先发生的中断执行完之后，被挂起的中断才会执行。

落实到STM32这里，可以看到标号4的位置，是一个与门，所以中断请求什么时候推送到NVIC控制器执行，就是中断屏蔽寄存器应该控制的事了。

同理，对于事件来收，事件是否生成，就是事件屏蔽器的事了。不同点在于，事件的产生没有优先级的概念，所以无需挂起寄存器这么个东西。

代码示例：这里我实现的事按键中断控制LED灯的亮灭

编程要点

初始化要用来产生中断的GPIO；
初始化EXTI
配置NVIC
编写中断服务函数

#include "bsp_exit.h"
void LED_GPIO_Config(void)
{/*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;/*打开GPIO对应的时钟*/RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);/*设置为推挽输出*/GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;/*选择要控制的GPIO引脚*/GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_1;/*设置引脚输出速率*/GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);/*关闭所有的LED灯*/GPIOB->ODR |= 0x23;
}   /*NVIC的配置*/
static void NVIC_Config(void)
{ /*定义一个NVIC_InitTypeDef类型的结构体*/NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;/*配置NVIC为优先组1*/NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1);/*配置中断源：按键1 */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = KEY1_EXTI_INT_IRQ;/*配置抢占优先级 */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;/*配置子优先级 */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;/*使能中断通道 */NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;/*调用库函数，初始化NVIC*/NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);/*配置中断源：按键2，其他使用上面一样的配置*/NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = KEY2_EXTI_INT_IRQ;NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);}
/**@brief 配置 IO为EXTI中断口，并设置中断优先级*param  无*retval 无
*/void KEY_INT_Config(void)
{/*定义GPIO_InitTypeDef和EXTI_InitTypeDef类型结构体*/GPIO_InitTypeDef KEY_InitStruct;EXTI_InitTypeDef EXIT_InitStruct;//开启外设按键和外部中断EXTI的时钟，这里可以简化的，源代码非常好RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(KEY1_INT_CLK, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(KEY1_EXIT_INT_CLK,ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(KEY2_INT_CLK,ENABLE);/*配置NVIC中断*/NVIC_Config();/*————————KEY1-----------------配置*//*选择按键用到的GPIO引脚*/KEY_InitStruct.GPIO_Pin  = KEY1_INT_PIN;/*配置为浮空输入，浮空输入的意思为由外部电路决定初始电平信号*/KEY_InitStruct.GPIO_Mode =  GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(KEY1_INT_PORT, &KEY_InitStruct);/*选择EXTI的信号源*/GPIO_EXTILineConfig(KEY1_EXIT_INT_PORTSource, KEY1_EXIT_INT_PINSource);EXIT_InitStruct.EXTI_Line = EXTI_Line0;//EXTI设置为中断模式EXIT_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;//上升沿中断EXIT_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;//使能中断通道EXIT_InitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE;//外部中断EXTI的初始化EXTI_Init(&EXIT_InitStruct);/*---------------------KEY2配置--------------*//*选择按键用到的GPIO引脚*/KEY_InitStruct.GPIO_Pin = KEY2_INT_PIN;GPIO_Init(KEY2_INT_PORT, &KEY_InitStruct);/*选择EXTI的信号源*/GPIO_EXTILineConfig(KEY2_EXTI_INT_PORTSource, KEY2_EXTI_INT_PINSource);EXIT_InitStruct.EXTI_Line = KEY2_EXTI_INT_LINE;/*下降沿触发*/EXIT_InitStruct.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;/*EXTI为中断模式*/EXIT_InitStruct.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;/*时钟中断通道*/EXIT_InitStruct.EXTI_LineCmd = ENABLE;EXTI_Init(&EXIT_InitStruct);

中断服务函数：

void KEY1_EXTI_Handler(void)
{if(EXTI_GetITStatus(KEY1_EXIT_INT_LINE) != RESET ){LED_G_TOGGLE;  EXTI_ClearITPendingBit(KEY1_EXIT_INT_LINE);  //清除中断标志位}}void KEY2_EXTI_Handler(void)
{
if(EXTI_GetITStatus(KEY2_EXTI_INT_LINE) != RESET ){LED_R_TOGGLE;;EXTI_ClearITPendingBit(KEY2_EXTI_INT_LINE);}}