第四章 STM32的外部中斷EXTI

2023-09-09 15:21 作者:高博士_嵌入式 0人讀過 | 我要投稿

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1?中斷系統(tǒng)

1.1? 中斷的概念

中斷系統(tǒng)的定義：中斷是指在主程序運行過程中，出現(xiàn)了特定的中斷觸發(fā)條件（中斷源），使得CPU暫停當(dāng)前正在運行的程序，轉(zhuǎn)而去處理中斷程序，處理完成后又返回原來被暫停的位置繼續(xù)運行。

通俗來講中斷就是主程序在正常運行時，出現(xiàn)了中斷觸發(fā)條件，而中斷觸發(fā)的條件有很多：對于外部中斷來講可能是引腳的電平發(fā)生變化；對于定時器來講可能是定時的時間到了；對于串口通信來講可能是接收到了數(shù)據(jù)，當(dāng)以上事件發(fā)生時，程序的執(zhí)行就會從主程序中跳到中斷程序中來執(zhí)行中斷程序，直到中斷程序執(zhí)行完成之后才會重新執(zhí)行主程序。而使用中斷系統(tǒng)最大的作用就是能夠極大的提升程序的運行效率。

中斷優(yōu)先級：中斷優(yōu)先級建立在有多個中斷源的時候，當(dāng)有多個中斷源出現(xiàn)時，CPU就要考慮率先執(zhí)行哪個中斷，中斷就像做一件事的輕重比例，當(dāng)有很多事情堆到眼前時候，通常先做情況最緊急的，再做稍次一點的，這樣就會給中斷確立執(zhí)行的先后順序，而多個中斷的執(zhí)行順序的先后就被叫做中斷優(yōu)先級。

中斷嵌套：當(dāng)一個中斷程序正在運行時，又有新的更高優(yōu)先級的中斷源申請中斷，CPU再次暫停當(dāng)前中斷程序，轉(zhuǎn)而去處理新的中斷程序，處理完成后依次進行返回，而中斷嵌套的執(zhí)行通常是由中斷優(yōu)先級來確定的。中斷嵌套可以理解將一堆要做的事慢慢一個一個拋給你，而你要根據(jù)每個事情的緊急程度來決定在已經(jīng)有的事情里先做哪一個。

中斷執(zhí)行的流程如下圖所示：

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在我們學(xué)習(xí)的STM32 中有68個可屏蔽中斷通道（中斷源），包含EXTI、TIM、ADC、USART、SPI、I2C、RTC等多個外設(shè)（68個中斷源是F1系列中最多的，而對于某個具體型號可能并沒有這么多，所以中斷源的數(shù)量以單片機的數(shù)據(jù)手冊為準(zhǔn)），這些中斷源都使用NVIC統(tǒng)一管理中斷，每個中斷通道都擁有16個可編程的優(yōu)先等級，可對優(yōu)先級進行分組，進一步設(shè)置搶占優(yōu)先級和響應(yīng)優(yōu)先級。（具體中斷源如下表所示灰色部分為內(nèi)核中斷，不是灰色部分的為STM32的外設(shè)中斷，具體圖標(biāo)手冊中有）

NVIC結(jié)構(gòu)：

基本結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

NVIC的全稱是Nested vectoredinterrupt controller，即嵌套向量中斷控制器，在STM32中NVIC用來統(tǒng)一分配中斷優(yōu)先級和管理中斷的，他是單片機內(nèi)核外設(shè)，是用來幫助CPU處理中斷分配和配置中斷優(yōu)先級的地方（為了讓CPU高速運行），因為NVIC有多個輸入口，所以能將單片機的外設(shè)中斷都來接到NVIC上，而NVIC只有一個輸出口這樣就能通過對中斷優(yōu)先級的設(shè)置，來輸出中斷優(yōu)先級高的，然后交給CPU讓CPU優(yōu)先執(zhí)行中斷優(yōu)先級高的程序，這就是NVIC的基本作用。

NVIC優(yōu)先級分組：

為了處理不同形式的優(yōu)先級，NVIC會有優(yōu)先級進行分組，而NVIC的中斷優(yōu)先級由優(yōu)先級寄存器的4位（0~15）決定，這4位可以進行切分，分為高n位的搶占優(yōu)先級和低4-n位的響應(yīng)優(yōu)先級，其屬性編號越小，表明它的優(yōu)先級別越高。搶占優(yōu)先級，是指打斷其他中斷的屬性，即因為具有這個屬性會出現(xiàn)嵌套中斷（在執(zhí)行中斷服務(wù)函數(shù)A 的過程中被中斷B 打斷，執(zhí)行完中斷服務(wù)函數(shù)B 再繼續(xù)執(zhí)行中斷服務(wù)函數(shù)A），搶占屬性由NVIC 的參數(shù)配置。而響應(yīng)屬性則應(yīng)用在搶占屬性相同的情況下，當(dāng)兩個中斷向量的搶占優(yōu)先級相同時，如果兩個中斷同時到達(dá)，則先處理響應(yīng)優(yōu)先級高的中斷，搶占優(yōu)先級和響應(yīng)優(yōu)先級均相同的按中斷號排隊,數(shù)字小的先響應(yīng)。（中斷號是指上圖中優(yōu)先級的序號）

優(yōu)先級的分組方式如下圖所示：

注意在配置好NVIC的分組方式之后，配置優(yōu)先級時，取值不能超過對應(yīng)NVIC分組的取值范圍。

1.2? 外部中斷的簡介與配置

外部中斷簡介：

EXTI（Extern Interrupt）外部中斷，EXTI可以監(jiān)測指定GPIO口的電平信號，當(dāng)其指定的GPIO口產(chǎn)生電平變化時，EXTI將立即向NVIC發(fā)出中斷申請，經(jīng)過NVIC裁決后即可中斷CPU主程序，使CPU執(zhí)行EXTI對應(yīng)的中斷程序。

其觸發(fā)方式有上升沿，下降沿，雙邊沿，軟件觸發(fā)四種。EXTI支持所有的GPIO口都可以觸發(fā)中斷，但是相同的Pin_不可以同時觸發(fā)中斷，例如PA1與PB1不能同時觸發(fā)中斷。EXTI有20個通道數(shù)，說明EXTI可以有20個中斷源，其中包括16個GPIO_Pin，外加PVD輸出、RTC鬧鐘、USB喚醒、以太網(wǎng)喚

醒；而EXTI響應(yīng)方式有中斷響應(yīng)（申請中斷讓CPU執(zhí)行中斷函數(shù)），事件響應(yīng)（中斷響應(yīng)時，外部中斷信號不會傳向CPU而是給到單片機外設(shè)，讓單片機外設(shè)響應(yīng)一個事件）。

外部中斷的基本結(jié)構(gòu)：

結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：

最左邊是GPIO口的外設(shè)，由于每個GPIO都有16個通道當(dāng)每個GPIO的引腳都占用一個那么EXTI的通道就會不夠用，為了讓相同的Pin_不同時觸發(fā)中斷，所以就有AFIO用來進行中斷引腳的選擇，相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)選擇器，他可以從前面N個GPIO的16個引腳中選擇其中一個接到后面的EXTI通道里面，所以就會有上面說的相同的Pin_不可以同時觸發(fā)中斷，因為對于相同的Pin_在經(jīng)過AFIO之后只會有一個Pin_接到后面的EXTI通道上，例如：PA0，PB0，PC0，PD0，只有一個Pin_0可以接到EXTI的通道0上。而以上GPIO引腳通過EXTI上之后，就會分為兩種輸出，一種接到NVIC上，一種接到單片機外設(shè)上（也是對應(yīng)的事件響應(yīng)），這里EXTI的輸出本來為20個但是由于ST公司想要節(jié)省引腳口，所以EXTI4之后的中斷被五個為一組分在同一個通道里，所以EXTI5~9會觸發(fā)同一個中斷函數(shù)，EXTI10~15觸發(fā)同一個中斷函數(shù)，但是基于Hal庫開發(fā)的STM32將這些中斷函數(shù)寫在了一起，所以所有中斷通道都可以寫在同一個中斷函數(shù)里面，但是標(biāo)準(zhǔn)庫必須根據(jù)不同的中斷通道來判斷到底能不能寫在一起。

AFIO口的結(jié)構(gòu)圖如下：

此圖原理就是將輸入的不同GPIO相同的Pin_通過數(shù)據(jù)選擇器來進行選擇，最后只選擇一個Pin_來接到EXTI通道上，具體如何選擇就是通過配置AFIO_EXTRCRX寄存器的EXTIx位來進行選擇，每個位代表不同的GPIO，這樣就能以確定的位來確定是哪個GPIO的引腳會接到EXTIX的通道上面。

AFIO主要用于引腳復(fù)用功能的選擇和重定義（數(shù)據(jù)選擇器），在STM32中，AFIO主要完成兩個任務(wù)：復(fù)用功能引腳重映射、中斷引腳選擇。

?EXTI結(jié)構(gòu)圖

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電平經(jīng)過AFIO之后進入EXTI，首先要對該中斷源的觸發(fā)方式進行選擇（上升沿觸發(fā)/下降沿觸發(fā)/雙邊沿觸發(fā)）進入或門的輸入，這里用或門進行輸入的原因是因為觸發(fā)方式也可以選擇是軟件觸發(fā)，然后就會分成兩路，接到NVIC中斷控制器的是觸發(fā)中斷的，而接到脈沖發(fā)生器的是用來觸發(fā)事件的。

先看觸發(fā)中斷這一路的，這里接的請求掛起寄存器相當(dāng)于中斷標(biāo)志位，通過讀取這個寄存器判斷是哪個通道發(fā)出中斷請求，如果給請求掛起寄存器置1，那么就會和中斷屏蔽寄存器進入一個與門，然后進入NVIC中斷控制器，這里與門和這個中斷屏蔽寄存器相當(dāng)于一個開關(guān)的作用，因為與門是如果輸入有一個為0，那么輸出一定為0，所以會通過控制中斷屏蔽寄存器來控制是否響應(yīng)中斷。

事件觸發(fā)這一路與中斷觸發(fā)大同小異，這里事件屏蔽寄存器和與門也充當(dāng)開關(guān)的作用，通過與門之后接一個脈沖發(fā)生器，這個脈沖發(fā)生器的作用就是給一個電平脈沖是用來觸發(fā)其他外設(shè)的。

上圖中畫斜杠寫20的表示這里可以接20根線，連接20個通道，而APB總線和外設(shè)接口，單片機對于寄存器的訪問就是借助APB總線來進行。

2實驗演示

2.1? 旋轉(zhuǎn)編碼器的簡介

旋轉(zhuǎn)編碼器：用來測量位置、速度或旋轉(zhuǎn)方向的裝置，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，其輸出端可以輸出與旋轉(zhuǎn)速度和方向?qū)?yīng)的方波信號，讀取方波信號的頻率和相位信息即可得知旋轉(zhuǎn)軸的速度和方向，通常有以下幾種類型：機械觸點式/霍爾傳感器式/光柵式。

實物圖如下：

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左邊第一個不能判斷不能判斷旋轉(zhuǎn)方向，只能測位置和速度所以不經(jīng)常使用，而剩下的就是我們本開發(fā)板自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器，由第三個拆解圖可得他內(nèi)部是通過金屬觸點來進行通斷的，所以為機械式編碼器，有左右兩部分開關(guān)觸點，其中左右兩部分內(nèi)側(cè)較細(xì)的觸點是連接在引腳B上，而剩下外側(cè)的觸點分別連在引腳A和C上，而中間的圓點為一個普通的按鍵，然后來看這個編碼盤也是一系列像光柵一樣的東西，但也是金屬觸點，在旋轉(zhuǎn)時依次接通和斷開兩邊的觸點，而金屬盤的位置也是經(jīng)過設(shè)計可以讓兩側(cè)觸點的通斷有九十度的相位差，

具體輸出波形如下方兩圖所示（上圖為正轉(zhuǎn)時，下圖為反轉(zhuǎn)時）以下這樣的正交波形就可以用來區(qū)別方向。