【STM32学习笔记5】EXTI外部中断

前言

本系列文章统一围绕STM32F103C8T6最小系统开发板进行记录，如涉及其他开发板将会特别说明。

中断

系统停止当前正在运行的程序转到其他的服务，可能是程序接收了比自身高优先级的请求，或者是人为设置中断，中断是属于正常现象。

硬中断
由硬件产生的，比如像磁盘，网卡，键盘，时钟等。每个设备或设备集都有它自己的IRQ（中断请求）。基于IRQ，CPU可以将相应的请求分发到对应的硬件驱动上。
软中断
软中断是由当前正在运行的进程所产生。

中断处理过程

当异常中断发生时，系统执行完当前指令后，将跳转到相应的异常中断处理程序处执行。
在异常中断处理程序执行完成后，程序返回到发生中断的指令的下一条指令处执行。
在进入异常中断处理程序时，要保存被中断的程序的执行现场，在从异常中断处理程序退出时，要恢复被中断的程序的执行现场。

中断和事件

中断是软件级的，STM32中断线路产生的输入信号输入到NVIC，再执行中断服务函数。
事件是硬件级的，STM32事件线产生后会传输一个脉冲信号给其他外设使用

事件机制提供了一个完全由硬件自动完成触发到产生结果的通道，不需要软件参与，降低了CPU负荷，节省了中断资源，提高了响应速度，是利用硬件来提升CPU芯片处理事件能力的一个有效方法。

中断响应（处理）函数

一种处理中断响应的函数，遵循特定原型声明的C函数，运行在中断上下文中。

特点：中断处理函数不能被阻塞的，其内部的程序必须运行非常快。
执行在中断上下文中的代码注意事项：
- 中断上下文中的代码不能进入休眠
- 中断处理程序应该尽快结束

EXTI

外部中断（External interrupt/event controller）（外部中断/事件控制器），管理了20个中断/事件线，每个中断/事件线都对应有一个边沿检测器(共19个，互联型产品可达20个)，可以对输入信号上升沿和下降沿进行检测，可以对每个中断/事件线进行单独配置。

STM32中，GPIO以组为单位可以触发外部中断，同组间的外部中断同一时间只能使用一个，GPIO中相同末端序号的口为一组，如Px0为1组（x=A..G），每一组使用一个中断标志EXTIx。

EXTI中断标志位：EXTI_LineX（X=0..15）
中断处理函数
- EXTIx（X=0..4）：EXTI0-EXTI4使用单独的中断处理函数
- EXTI5-9：EXTI_Line5-9共用
- EXTI10-15：EXTI_Line10-15共用

EXTI的实现原理

外部信号从输入线管脚进入
经过边沿检测电路（Edge detect circuit，受上升沿或下降沿选择寄存器控制）
通过或门进入中断挂起请求寄存器（Pending request register，记录外部信号的电平变化），如果中断屏蔽寄存器（Interrupt mask register）对应位为"0"，则该请求信号不能传输到与门另一端，实现中断屏蔽。

注：或门的另一个输入是软件中断/事件寄存器（Software interrupt event register），从这里可以看出，软件可优先外部信号请求一个中断或事件，即当软件中断/事件寄存器的对应位为"1"时，不管外部信号如何，或门都会输出有效信号
最后经过与门输出到NVIC中断检测电路

EXTI控制框图

NVIC

NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）（内嵌向量中断控制器）用于控制中断的优先级，它和处理器内核紧密相连——内核外设。

特征：

支持嵌套和向量中断
自动保存和恢复处理器状态
动态改变优先级
简化的和确定的中断时间：在ISR结束时，NVIC 将从栈中恢复相关寄存器的值，进行正常操作，因此花费少量且确定时间处理中断请求。

中断优先级

STM32支持两种优先级：抢占优先级和子优先级，所有优先级可编程的中断源都需要指定这两种优先级。

抢占优先级：决定是否可以产生中断嵌套-中断中再产生中断
子优先级：决定中断响应顺序
若两种优先级都一样，则看中断源在中断向量表中偏移量，偏移量小的先响应

执行顺序：

抢占优先级高的中断源可以中断抢占优先级低的中断处理函数，进而执行高优先级的中断处理函数，执行完毕后，再继续执行被中断的低优先级的处理函数
先判断抢占优先级
当抢占优先级相同时，即这两个中断将没有嵌套关系，当一个中断到来后，若此时cpu正在处理另一个中断，则这个后到来的中断就要等到前一个中断处理函数处理完毕后才能被处理，当这两个中断同时到达，则中断控制器会根据它们的子优先级决定处理顺序
如果两个中断的优先级设置相同，先触发的先执行；如果是同时触发的，则根据中断向量表的位置（偏移量小的先执行）来决定执行顺序。

代码：按键外部中断控制

矩阵键盘工作原理

如图所示，以S1为例，需要将其两端连接至单片机上，即4&5。
通常一端连接固定电平（VCC或GND），另一端连接GPIO口，用于检测电平变化。
按键按下则两处连接，可以通过IO口读取电平来获取当前状态。

矩阵键盘.png

代码

初始化输入IO

static void _drv_key_gpio_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef key;
    // 开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    // 配置GPIO参数
    key.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;
    key.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    // 初始化IO口
    GPIO_Init(GPIOB, &key);
}

初始化EXTI

static void _drv_key_exti_init(void)
{
    EXTI_InitTypeDef key;
    // 使能AFIO时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    // 配置中断源
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB, GPIO_PinSource6);
    key.EXTI_Line = EXTI_Line6;
    key.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    key.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
    key.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    // 初始化EXTI
    EXTI_Init(&key);
}

初始化NVIC

static void _drv_key_nvic_init(void)
{
    NVIC_InitTypeDef key;
    // 配置中断优先级分组
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    key.NVIC_IRQChannel = EXTI9_5_IRQn;
    key.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    key.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
    key.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&key);
}

中断处理函数

void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line6) == SET) {
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line6);
        key_flag = 1;
    }
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line6);
}

主函数

int main()
{
    drv_led_init();
    drv_key_init();

    while (1) {
        if (key_flag == 1) {
            key_flag = 0;
            // LED翻转
            LED_TOGGLE;
        }
    }
    return 0;
}