STM32系列教程

【STM32系列教程】0x04 外部中断

让外部中断(EXTI)解放CPU，避免无止境的主循环轮询！

介绍

什么是中断

在嵌入式系统中，我们经常需要响应外部事件。例如，当按下按钮时，我们需要点亮 LED。在这种情况下，我们需要在主循环中不断读取按钮状态。这被称为轮询。但是，这种方法并不高效。我们可以使用中断来解决这个问题。

中断是一种机制，它允许 CPU 及时响应外部事件。当发生外部事件时，CPU 将停止当前任务并执行相应的中断服务例程。执行中断服务例程后，CPU 将返回原始任务。

因此，我们可以使用中断来响应外部事件。例如，当按下按钮时，我们可以使用中断来点亮 LED。

但是，中断服务例程中的程序应尽可能简单。这是因为当发生中断时，CPU 将停止当前任务。如果中断服务例程太长，CPU 将花费太多时间在中断服务例程上，主任务将无法及时执行。这将导致系统崩溃。

By GPT

外部中断EXTI

原理教程：https://www.bilibili.com/video/BV1th411z7sn?p=11

EXTI外部中断主要用于在引脚的电平改变时产生中断，避免轮询读取引脚电平，节省CPU时间。

架构

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  • 每个 GPIO Port 连接了16个 GPIO Pin
  • 所有 GPIO Port 接到AFIO上，AFIO在ID相同Port不同的Pin之间选择，相同ID不同Port之间的Pin只能选择一个连接到EXTI
  • 边沿改变 或 触发代码 触发EXTI，把触发的来源记录到请求挂起寄存器
  • EXTI 产生 通往NVIC的中断 或 通往其它外设的事件驱动其他外设产生动作
  • 由于资源不足，部分EXTI通往NVIC的引脚被合并，NVIC无法分辨中断来自哪个具体引脚
  • 最后NVIC中断CPU，调用中断函数

中断的产生过程

该部分需要一定的”计算机结构“相关的知识

假设我们需要尽可能快地得知按钮的状态，所以使用中断的方式来读取

  1. 用户按下按钮，将某个PIN拉低

  2. 硬件电路产生中断

    1. 通过AFIO中断引脚选择器选择某一个GPIO Port上的引脚
    2. 低电平在EXTI中断控制器中依次通过边沿检测、引脚中断使能等电路
    3. EXTI通过11根线通知NVIC嵌套向量中断控制器，NVIC产生对应编号的中断

  3. CPU处理中断

    1. 保存当前正在运行的程序的数据（寄存器、栈空间等）

    2. 根据中断编号和预先加载到内存的中断向量表(startup_stm32f103xb.s)得到中断服务程序ISR函数的地址 对于按键产生的EXTI外部中断，中断向量表有11个条目，对应11个ISR函数

      中断向量表对于每个芯片是固定的，里面有多个条目，每个条目记录一种中断所对应的ISR的地址

    3. 跳转到中断服务程序ISR函数(stm32f1xx_it.c)的地址并运行

    4. 在使用HAL库和CubeMX生成代码时，在ISR中调用HAL库对应外设的HAL_xxxxxx_IRQHandler函数 比如按键产生的EXTI外部中断就是调用HAL库中GPIO外设的HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler（11种ISR函数调用同一个HAL库函数） 使用HAL库开发时，我们不应该在此处添加应用逻辑。

    5. HAL库的HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler函数(stm32f1xx_hal_gpio.c)内部自动处理好各种寄存器

    6. HAL库调用用户级的回调函数HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) 这个用户级回调函数为弱符号(weak)，用户应该编写同名的函数，在别处覆写系统内置的默认函数，在其中处理应用逻辑

    弱符号指的是定义中包含weak的函数和变量。比如如下函数：

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    weak void HAL_GPIO_EXTI_Callback(...)
{
 // Do nothing in weak function
}

    在C中是不能定义两个相同名称的符号的。但是如果一个是强符号而另一个是弱符号，编译过程中的链接步骤会丢掉弱符号而保留强符号

    这种用法通常用在模块的接口上。比如STM32的HAL库，其中包含每个用户级回调函数的弱定义。用户只需要在其它地方定义同名函数，链接时就会自动覆盖了。

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flowchart LR
    EXTI1_IRQHandler --> HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler
    EXTI2_IRQHandler --> HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler
    EXTI15_10_IRQHandler --> HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler
    ... --> HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler
    HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler --> HAL_GPIO_EXTI_Callback

这部分HAL库函数调用逻辑在ST官方教程上也有说明。

https://wiki.stmicroelectronics.cn/stm32mcu/wiki/Getting_started_with_EXTI#HAL_Library_workflow_summary

实践: 外部触发中断

目标

使用中断的方式，在按下按钮时切换板载LED的亮灭

接线

参考上一章

配置CubeMX

可以把第一个空项目的.ioc文件复制出来改个名字再配置，不用每次都调那几个基本参数

  1. 在CubeMX中的Pinout & Configuration页面
    1. 右侧的芯片图那里，将PB12引脚设置为GPIO_EXTI12
    2. 最左侧外设列表 System Core -> GPIO项
      1. 已经默认选择的GPIO页 -> 选中PB12
        1. GPIO mode选择下降沿触发的中断 （如果仅使用STM32核心板）
        2. 视具体使用情况，可选配置上拉或者下拉GPIO Pull-up/Pull down，参考上一章
      2. 中间选择NVIC页 -> 启用EXIT line[15:10] interrupts (或者在最左侧的外设列表中选择 System Core -> NVIC项 -> 中间 启用EXIT line[15:10] interrupts)
    3. 别忘了按照之前的教程额外配置LED的GPIO输出
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代码

我们在main.c里覆写中断回调函数HAL_GPIO_EXTI_Callback，发生中断后hal会自动调用此函数

在main函数前面的位置添加代码

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/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_12)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    }
}
/* USER CODE END 0 */

运行

理论上，运行时开关按下的瞬间，灯会点亮或熄灭。

但是由于没有添加足够的防抖机制，按下和松开的瞬间会有多个电平跳变，导致在按下和松开时触发多次中断，导致亮灭状态不可控。（至少我手上的板子是这样的）

可以自行了解按钮防抖机制

总结

注意

关于中断的回调函数

不可以在回调函数中执行耗时的操作！比如等待 (HAL_Delay)或者大量的计算

本章最开始有说明，相同ID不同Port之间的Pin只能选择一个连接到EXTI。所以在回调函数中不能分辨外部中断来自哪一个Port。

关于Volatile

这一点在后面才会使用得到，但是在这里提前说明。

volatile 关键字是一种类型修饰符，用它声明的类型变量表示可以被某些编译器未知的因素更改，比如：操作系统、硬件或者其它线程等。遇到这个关键字声明的变量，编译器对访问该变量的代码就不再进行优化。系统总是重新从它所在的内存读取数据，而不是从缓存或者寄存器中读取，即使它前面的指令刚刚从该处读取过数据。

多个线程或者中断中需要访问的变量，都需要加上volatile关键字。比如：

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volatile int num;

代码调用层次

  1. 在STM32中，中断请求由外设发出到达NVIC指定中断通道，NVIC中断CPU并调用Core/Src/stm32f1xx_it.c中对应通道的中断函数xxx_IRQHandler
  2. 同一外设的xxx_IRQHandler调用stm32f1xx_hal_xxx.c中同一个寄存器处理函数HAL_xxx_IRQHandler，让HAL库处理寄存器
  3. 处理完寄存器后会按照中断类型调用stm32f1xx_hal_xxx.c对应的用户中断回调弱函数HAL_xxx_Callback，用户覆写此弱函数来在中断时执行操作

在Clion中，你可以按住键盘上的Ctrl键，再用鼠标左键点击函数名，以追踪函数的声明或定义。

你可以尝试阅读上述两个文件中的三种函数，加深对中断的理解

stm32f1xx_it.c中有多个EXTI中断函数，因为中断向量表中设计了多个条目。以前使用LL库开发时，在此文件中手动设置各种寄存器并实现应用逻辑。现在使用HAL库就不用在这里面写代码了。

STM32
最后更新于 Oct 12, 2024 00:00 UTC