【STM32F407学习笔记】中断优先级管理与外部中断

1. 中断介绍

1.1 中断的概念

计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊情况时，计算机停止现在程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现在程序的间断处，这就是“中断”。
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。

1.2 中断的产生

CPU处理数据的速度是很快的，但是与CPU相连的外设速度却很慢。比如打印机的速度就和CPU的速度相差很多，在没有中断技术时当打印机在执行打印操作时CPU就只能等待打印机操作完成，它才能处理其他事情，这样CPU的效率将大大降低。有了中断技术后CPU将立即返回主程序处理其他的事情，这样大大提高了CPU的效率。

其实中断技术不仅仅是为了适应外部设备速度不匹配问题，它还在实时控制系统中，要求CPU能即时响应外来信号的请求，并能完成各种相应的操作。也就是说，中断还可以处理一些比较紧急的事情，STM32中的中断一般都是用于此情况，例如STM32怎么及时的检测按键的按下，串口接收数据怎么及时处理，都是通过中断实现的。

1.3 中断处理的流程

不同设备的中断处理方法不同，但是它们程序的流程却是类似的，一般中断处理的流程分为四大部分：保护现场、中断服务、恢复现场和中断返回。中断处理流程图如图所示：

• 保护现场
  保护现场有两个含义：其一时保存程序的断点；其二是保存通用寄存器和状态寄存器的内容（压栈）。在STM32中这一步不需要操作，由硬件实现。
• 中断服务
  不同的中断，中断服务程序处理方法也不同。中断服务程序也是我们需要重点设计和编写的。
• 恢复现场
  这是中断程序的结尾部分，要求在退出服务程序前，将原程序中断时的“现场”恢复到原来的寄存器（出栈）。在STM32中这一步不需要操作，由硬件实现。
• 中断返回
• 中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序。

2. STM32内嵌向量中断控制器

对于微控制器（MCU），中断也是一种常见的特性。MCU中的终端一般是由硬件（如外部和外部输入引脚）产生的事件，当外设或硬件需要处理器的服务，一般会出现下面的流程：
1）处理器确认外设的中断请求。
2）处理器暂停执行当前的任务。
3）处理器执行外设的中断服务程序（ISR），若有必要可以选择由软件清楚中断请求。
4）处理器继续执行之前暂停的任务。
所有CortexM处理器都会提供一个用于中断处理的嵌套向量中断控制寄存器（NVIC）。除了中断请求，还有其它服务的事件，将其称为“异常”。异常的概念很广泛，中断其实就是异常的一种，也可以说中断就是异常。NVIC接收多个中断源产生的中断请求如图中所示：

Cortex-M4的NVIC支持最多240个IRQ（中断请求）、1个不可屏蔽中断（NMI）、一个SysTick定时器中断以及多个系统异常，一共256个中断。多数IRQ由定时器、I/O端口和通信接口（如USART）等外设产生。NMI通常由看门狗定时器或掉电检测器等外设产生，其余的异常则是来自处理器内核，中断还可以利用软件生成。

2.1 NVIC控制器的寄存器

Cortex-M4的NVIC共支持256个中断，其中包含16个内核中断和240个外部中断。但是STM32F4并没有使用Cortex-M4内核的所有中断，而是只使用了92个中断，其中有10个不可屏蔽中断，82个可屏蔽中断，具有16级可编程中断优先级，82个可屏蔽中断的打开与关闭、挂起等，都是被寄存器控制，这些寄存器都已被标准封装成NVIC_Type的结构体，如图所示：

ISER[8]：Interrupt Set-Enable Registers 中断使能寄存器组。STM32F4的可屏蔽中断最多只有82个，所以对我们来说，有用的就是三个（ISER[0~2]），总共可以表示96个中断。STM32F4只用了前82个。ISER[0]的bit0 ~ 31分别对应中断0 ~ 31；ISER[1[的bit0 ~31 对应终端32 ~63；ISER[2]的bit0 ~17对应中断64 ~ 81；总共82个中断。要使能某个中断，必须设置相应的ISER位为1，使该中断被使能（仅仅是使能，还要配合中断分组、屏蔽、IO口映射等设置才算是一个完整的中断设置）。
ICER[8]：Interrupt Clear-Enable Registers 中断失能寄存器组。该寄存器的作用与ISER的作用是相反的，用来清除某个中断的使能的。这里要专门设置一个ICER来清除中断位，而不是向ISER写0来清除，这是因为NVIC的这些寄存器都是写1有效，写0是无效的。
ISPR[8]：Interrupt Set-Pending Registers 中断挂起寄存器组。每个位对应的中断和ISER是相同的。通过写1，可以将正在进行的中断挂起，而执行同级或更高优先级的中断。写0是无效的。
ICPR[8]：Interrupt Clear-Pending Registers 中断解挂寄存器组。该寄存器的作用与ISPR的作用是相反的。通过写1，可以将挂起的中断解挂。
IABR[8]：Interrupt Active Bit Registers 中断激活标志位寄存器组。如果某位为1，则表示该位所对应的中断正在被执行。这是一个只读寄存器，通过它可以知道当前正在执行的中断是哪一个。中断执行完了之后由硬件自动清0。
IP[240]：Interrupt Priority Registers 中断优先级控制的寄存器组。这个寄存器组相当重要！STM32F4的中断分组与这个今存其密切相关。IP寄存器由240个8bit的寄存器组成，每个可屏蔽中断占用8bit，这样总共可以表示240个可屏蔽中断。而STM32F4只用到了其中的82个。IP[0] ~ IP[81]分别对应中断0 ~ 81。而每个可屏蔽中断占用的8bit并没有全部使用，而是只用了高4位，这4位又分为抢占优先级和响应优先级。抢占优先级在前，响应优先级在后。而这两个优先级各占几个位又要根据SCB->AIRCR中的中断分组设置来决定。

2.2 中断管理方法

STM32F4将中断分为5组，组0 ~ 4。该分组的设置是由SCB->AIRCR寄存器的bit10 ~ 8来确定的。设置了这个寄存器后，可以确定每个中断响应优先级，和抢占优先级占多少位。对于每个中断都有一个IP寄存器，位 [ 7 : 4 ]在SB->AIRCR确定好分组后，就可以确定分配结果。
具体分配关系如图所示：

中断优先级定义：

• 优先级的数值越小优先级的级别越高
• 抢占优先级的优先级始终高于响应优先级
• 高级别的抢占优先级可以打断低级别抢占优先级中断
• 两个中断抢占优先级相同时，高级别的响应优先级不能打断低级别响应优先级，但处理器优先处理响应优先级最高的。
• 两个中断抢占优先级相同，响应优先级相同，根据中断先发生就先执行。
  举例：
  设置中断优先级分组为2（2位抢占优先级，2位响应优先级）
  中断A：抢占优先级2，响应优先级1
  中断B：抢占优先级3，响应优先级0
  中断C：抢占优先级2，响应优先级0
  那么这三个中断的优先级顺序为：中断C>中断A>中断B。并且中断A和C都可以打断中断B，而中断A和C不可以互相打断。

2.3 中断的配置

中断管理的具体配置流程：

1. 配置中断优先级分组（一个程序中，中断优先级分组只能配置一次，程序执行时中断分组不能更改）
2. 配置对应外设中断（中断引脚，优先级）
3. 编写对应的中断服务函数（对中断进行处理）
   中断分组管理函数如下

   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;
   }
   

STM32F4的中断优先级可以分为以下五组：

设置好了系统中断分组，对于每个中断我们需要确定它们的抢占优先级和响应优先级，通过中断初始化函数进行设置：

void NVIC_Init(NVIC_InitTypeDef* NVIC_InitStruct)

其中NVIC_InitTypeDef是一个结构体，成员变量如下：

这些成员变量的含义为：

• NVIC_IRQChannel：定义初始化的是哪个中断：
  如图中所示为STM32F40的所有中断请求（IRQ）
  
• NVIC_IRQChannelPreemptionPriority：该中断的抢占优先级
• NVIC_IRQChannelSubPriority：该中断的响应优先级
• NVIC_IRQChannelCmd：该中断的中断通道是否使能

3. EXTI外部中断

EXTI（External Interrput）外部中断，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，但是相同的Pin不能同时触发中断（比如：PA1, PB1 不能同时触发中断）
• 通道数：23个包括：16个GPIO_Pin，外加PVD输出 、RTC闹钟、USB OTG HS唤醒、以太网唤醒、RTC入侵和时间戳事件、RTC唤醒事件。
• 触发响应方式：中断响应/事件响应

3.1 EXTI基本结构

EXTI的基本结构如图中所示：
首先是GPIOA，GPIOB,…外部中断输入GPIO口，而且每个GPIO口都有16个引脚，如果每个引脚都对应EXTI的一个通道，那么EXTI的16个GPIO_Pin通道就不够用了。因此有一个中断引脚选择的电路模块（一个数据选择器）（在STM32F1中为AFIO），而在STM32F4中为SYSCFG_EXTICRx，它可以在从前面的GPIO口外设的16个引脚里面选择其中一个GPIO口的引脚连接到后面的EXTI的通道里。经过EXTI边沿检测及控制电路后，分为了两种输出，一部分是用来触发NVIC中断，一部分用于其他外设。

3.2 SYSCFG_EXTICRx 外部中断配置寄存器

如图中所示为SYSCFG_EXTICR外部中断配置寄存器的结构

如图中所示SYSCFG_EXTICR1寄存器的EXTIx[3:0]：EXTIx配置（x=0到3）这些位通过软件写入，用以选择EXTIx外部中断源的输入。

• 0000：PA[x]引脚
  0001：PB[x]引脚
  …
  1000：PI[x]引脚
• SYS_CFG_EXTICR2寄存器的EXTIx[3:0]：EXTIx配置（x=4到7）这些位通过软件写入，用以选择EXTIx外部中断的输入。
  0000：PA[x]引脚
  0001：PB[x]引脚
  …
  1000：PI[x]引脚
• SYS_CFG_EXTICR3寄存器的EXTIx[3:0]：EXTIx配置（x=8到11）这些位通过软件写入，用以选择EXTIx外部中断的输入。
  0000：PA[x]引脚
  0001：PB[x]引脚
  …
  1000：PI[x]引脚
• SYS_CFG_EXTICR4寄存器的EXTIx[3:0]：EXTIx配置（x=12到15）这些位通过软件写入，用以选择EXTIx外部中断的输入。
  0000：PA[x]引脚
  0001：PB[x]引脚
  …
  0111：PH[x]引脚
  注意PI[15:12]未使用
  在STM32F4的库函数中对于这个配置的库函数为：

SYSCFG_EXTILineConfig()

3.3 EXTI 框图

EXTI的右边是23个输入线，输入信号先进入边沿检测电路，选择上升沿触发或下降沿触发或者两个都触发，接着触发信号进入或门与软件中断事件信号相或（这里就是说软件中断事件也可以触发EXTI中断），然后信号兵分两路。首先是上方，当中断屏蔽寄存器给1，则允许中断，然后进入挂起请求寄存器，最后进入NVIC中断控制器。下方信号，当事件屏蔽寄存器为1，则允许事件触发，通过脉冲发生器（输出一个脉冲，用来触发其他外设的动作）输出到其他外设。
在STM32F4的库函数中，外部中断EXTI的中断请求有：EXTI0_IRQn、EXTI1_IRQn、EXTI2_IRQn、EXTI3_IRQn、EXIT4_IRQn、EXTI9_5_IRQn（即GPIOx_Pin_5 ~ GPIOx_Pin_9都是一个中断请求）、EXTI15_10_IRQn（即GPIOx_Pin_15 ~ GPIOx_Pin_10都是一个中断请求）。

4. 软件设计

使用外部中断触发中断服务。整个流程如下所示：

• 首先是中断分组和中断优先级设置
• 初始化EXTI外部中断：
  • 使能SYSCFG时钟，在使用外部中断时一定要先使能SYSCFG时钟
  • 初始化GPIO口，用于外部中断输入：
    • 使能GPIO时钟
    • 配置GPIO：配置引脚，输入模式，上下拉（上拉检测下降沿，下拉检测上升沿）
  • 初始化EXTI：
    • 使能EXTI时钟
    • 配置EXTI：设置EXTI外部中断源输入通道，设置中断触发，设置触发方式，使能中断
  • 设置IO口与中断线的映射关系

具体程序如下所示，程序配置PA1的下降沿触发中断，并在触发中断时通过串口向电脑打印。

/// @brief 设置中断分组和优先级
/// @param  None
void NVIC_Config(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 配置NVIC分组为2

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn;          // 外部中断通道1
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; // 抢占优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;        // 响应优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;           // 外部中断通道1使能

    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

/// @brief 初始化EXTI外部中断
/// @param  None
void EXTI_init(void)
{
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    GPIO_InitTypeDef GPIOInitStructure;

    // 使能GPIOA的时钟
    RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_GPIOA, ENABLE);
    // 使能外设EXIT的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_EXTIT, ENABLE);
    // 使能SYSCFG时钟，在使用外部中断的时候一定要先使能SYSCFG的时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE);

    GPIOInitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;    // 引脚号
    GPIOInitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN; // 输入
    GPIOInitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_UP; // 上拉(不工作时位高电平)，检测低电平
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIOInitStructure);

    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line1;              // EXTI1
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;     // 中断触发
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling; // 下降沿触发
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;               // 使能中断
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

    SYSCFG_EXTILineConfig(EXTI_PortSourceGPIOA, EXTI_PinSource1); // 设置IO口与中断线的映射关系
}

/// @brief EXTI1中断服务函数
/// @param  
void EXTI1_IRQHandler(void)
{
  // 判断中断线中断状态，查看中断是否发生 
  if(EXTI_GetFlagStatus(EXTI_Line1)==SET)
  {
    printf("[it]EXTI1\r\n");
  }
  // 清除中断标志
  EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);
}

5. 总结

外部中断常用的函数：

//设置IO口与中断线的映射关系
void SYSCFG_EXTILineConfig(uint8_t EXTI_PortSourceGPIOx, uint8_t EXTI_PinSourcex);
//初始化中断线：触发方式等
void EXTI_Init(EXTI_InitTypeDef* EXTI_InitStruct);
//判断中断线中断状态，是否发生
ITStatus EXTI_GetITStatus(uint32_t EXTI_Line);
//清除中断线上的中断标志位
void EXTI_ClearITPendingBit(uint32_t EXTI_Line);
//使能SYSCFG时钟
//这个函数非常重要，在使用外部中断的时候一定要先使能SYSCFG时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE);

外部中断的一般配置步骤：文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-783484.html

1. 配置中断分组（NVIC），并使能中断。
   NVIC_Init();
2. 使能SYSCFG时钟：
   RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_SYSCFG, ENABLE);
3. 初始化IO口为输入。
   GPIO_Init();
4. 设置IO口与中断线的映射关系。
   void SYSCFG_EXTILineConfig();
5. 初始化线上中断，设置触发条件等。
   EXTI_Init();
6. 编写中断服务函数。
   EXTIx_IRQHandler();
7. 清除中断标志位
   EXTI_ClearITPendingBit();

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