第5章
CHAPTER 5


外部中断的原理与应用





外部中断(EXTernal Interrupt，EXTI)通过GPIO引脚输入外部中断请求信号(上升沿或下降沿)，引发中断——CPU在正常执行程序的过程中，由于某个事件的原因，暂停CPU正在执行的程序，转去执行处理该事件的中断服务程序，中断服务程序执行完后，再返回刚才暂停的位置，继续执行刚才被暂停的程序，这个过程叫作“中断”。
5.1中断的概念
5.1.1中断的作用

最初中断技术引入计算机系统，是为了消除快速CPU和慢速外设之间进行数据传输时的矛盾。因为慢速外设准备好数据需要很长时间，如果不使用中断技术，就会使快速CPU长时间等待，降低了CPU的效率。而使用中断技术后，在慢速外设准备数据期间，快速CPU可以处理其他事务，待慢速外设准备好数据后，向CPU发出中断请求。CPU收到慢速外设的中断请求后，暂停正在执行的程序，转去接收慢速外设的数据，接收完数据后，再返回刚才暂停处，继续执行刚才暂停的程序，这就提高了CPU的效率。除此之外，中断还具有以下几个功能。
(1) 可以实现多个外设同时工作，提高了效率。
(2) 可以实现实时处理，对采集的信息进行实时处理。
(3) 可以实现故障处理。由于故障是随机事件，事先无法预测，因而中断技术是故障处理的有效方法。
5.1.2中断的常见术语
(1) 中断源： 可以引起中断的事件或设备称为“中断源”。根据中断源不同，中断可分为3类： 由计算机本身的硬件异常引起的中断，称为内部异常中断； 由CPU执行中断指令引起的中断，称为软件中断或软中断； 由外部设备(输入设备/输出设备)请求引起的中断，称为硬件中断或外部中断。
(2) 中断请求、中断响应、中断服务、中断返回： 中断请求就是中断源对CPU发出处理中断的要求； 中断响应就是CPU转去执行中断服务程序； 中断服务就是CPU执行中断服务程序的过程； 中断返回就是CPU执行完中断服务程序后，返回响应中断时暂停的位置。一个完整的中断处理过程包含了中断请求、中断响应、中断服务和中断返回。
(3) 中断服务程序和中断向量： 处理中断的程序叫中断服务程序。中断服务程序的入口(起始)地址叫中断向量。
(4) 中断的优先级： 当多个中断源同时发出中断请求时，需要设置一个优先权等级以决定CPU响应中断请求(执行对应的中断服务程序)的先后顺序，这个优先权等级就是中断的优先级。
(5) 中断嵌套： 一个低中断优先级的中断在执行过程中，可以被高中断优先级的中断打断——CPU暂停正在执行的低优先级中断，转去执行高优先级的中断，高优先级中断执行完后，返回刚才暂停处继续执行低优先级中断，这个过程叫中断嵌套。
(6) 中断系统： 实现中断处理功能的软件、硬件系统。




5.2NVIC中断管理
CortexM3内核支持256个中断，其中包含了16个内核中断和240个外部中断，并且具有256级的可编程中断设置。STM32F103系列有60个可屏蔽中断(在STM32F107系列才有68个)，这么多个中断是如何管理的呢？
5.2.1抢占优先级和响应优先级
STM32的中断优先级有两种： 一种是“抢占优先级”，另一种是“响应优先级”。优先级数值越小，优先级越高。抢占优先级具有“抢占”的属性，即“高抢占优先级”的中断可以打断“低抢占优先级”的中断。而响应优先级只有“响应”的属性，即这种优先级只影响哪个中断优先被响应。但要注意，由于抢占优先级可以打断其他中断，所以哪个中断先被响应是“抢占优先级”起决定作用，因为即使一个中断因为高的响应优先级而先被响应(CPU先去执行该中断的处理程序)了，也会因为低抢占优先级而被其他中断打断，实际还是先处理了高抢占优先级的中断。
例如，假定设置中断3(RTC中断)的抢占优先级为2，响应优先级为1。中断6(外部中断0)的抢占优先级为3，响应优先级为0。中断7(外部中断1)的抢占优先级为2，响应优先级为0。那么这3个中断的优先级顺序为： 中断7>中断3>中断6。
5.2.2中断优先级分组
中断分为5组，如表5.1所示。STM32使用中断优先级控制的寄存器组IP［240］(全称是Interrupt Priority Register)设置中断的优先级，每个中断使用一个寄存器来确定优先级。STM32F103系列一共有60个可屏蔽中断，使用IP［59］～IP［0］。每个IP寄存器的高4位用来设置抢占和响应优先级的等级，低4位没有用到。那么在这高4位中，用多少位设置抢占优先级的等级，多少位用来设置响应优先级的等级？这是由“中断优先级分组”决定的。


表5.1中断优先级分组表



分组IP［7:4］分配情况

00位抢占优先级，4位响应优先级
11位抢占优先级，3位响应优先级
22位抢占优先级，2位响应优先级
33位抢占优先级，1位响应优先级
44位抢占优先级，0位响应优先级

当设置中断优先级分组为2组时，在IP寄存器中，抢占优先级和响应优先级都是2位来设置，因此，两个优先级等级范围都为0～3，那么编程设置时，两个优先级等级都不能超过3。
另外要注意，一旦中断优先级分组设置好了，也就意味着IP寄存器中设置抢占和响应优先级的位数分配好了，在程序中就不要再随意改动了。因为优先级分组一改，会造成程序中设置好的中断的优先级都跟着起变化，进而引起程序执行错误。
5.2.3NVIC中断管理相关函数
在misc.h中与NVIC相关的库函数声明的函数主要有两个： 优先级分组的函数NVIC_PriorityGroupConfig()和设置中断优先级的函数NVIC_Init()。示例代码如下： 

NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStruct;

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 2;

NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);


其中，中断优先级分组被设置为分组2，NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel 的值是中断请求的名字，在stm32f10x.h文件中定义了所有中断请求的名字。
 VIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority指抢占优先级的等级。
 VIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority指响应优先级的等级。
5.3EXTI外部中断
5.3.1中断请求信号的输入脚

STM32的每个GPIO引脚都可以复用为EXTI的外部中断请求信号输入脚。这里的复用是指STM32上电复位后引脚的功能不是EXTI输入，而是GPIO功能，但可以通过程序设置成EXTI输入功能。STM32的中断控制器支持19个外部中断/事件请求，其中0～15外部中断/事件请求对应外部I/O口的输入中断。16连接到PVD输出。17连接到RTC闹钟事件。18连接到USB唤醒事件。即STM32的外部中断线只有0～15共16根。那么I/O脚是如何和外部中断线对应起来的呢？
由图5.1可以看到，GPIO引脚和EXTI线的映射关系为： GPIOx.0映射到EXTI0，GPIOx.1映射到EXTI1，……，GPIOx.15映射到EXTI15。



图5.1GPIO脚和外部中断线的映射关系


5.3.2EXTI线对应的中断函数
I/O口外部中断在中断向量表中只分配了7个中断向量，也就是只能使用7个中断服务函数，如表5.2所示。


表5.2中断线与中断函数名对应表




EXTI线中断函数名

EXTI0EXTI0_IRQHandler
EXTI1EXTI1_IRQHandler
EXTI2EXTI2_IRQHandler
EXTI3EXTI3_IRQHandler
EXTI4EXTI4_IRQHandler
EXTI9_5EXTI9_5_IRQHandler
EXTI15_10EXTI15_10_IRQHandler

注意： 所有中断函数名都可以在startup_stm32f10x_md.s这样的启动文件中找到。
5.4EXTI的常用库函数
5.4.1函数EXTI_Init（）

函数EXTI_Init（）在stm32f10x_gpio.h文件中声明，具体描述如表5.3所示。


表5.3EXTI_Init（）函数描述表



函数名EXTI_Init

函数原型void EXTI_ Init(EXTI_InitTypeDef*EXTI_InitStruct)
功能描述根据EXTI_InitStruct中指定的参数初始化外设EXTI寄存器
输入参数EXTI_InitStruct: 指向结构EXTI_InitTypeDef的指针，包含了外设EXTI的配置信息，参阅“Section: EXTI_InitTypeDef”,了解该参数允许的取值范围的更多内容
输出参数无
返回值无
先决条件无
被调用函数无

EXTI_InitTypeDef在文件stm32f10x_exti.h中定义： 

typedef struct

{ 

u32 EXTI_Line; 

EXTIMode_TypeDef EXTI_Mode; 

EXTIrigger_TypeDef EXTI_Trigger; 

FunctionalState EXTI_LineCmd;

} EXTI_InitTypeDef;


参数EXTI_Mode设置了被使能线路的模式，参数值如表5.4所示。


表5.4EXTI_Mode取值




EXTI_Mode的值描述

EXTI_Mode_Event设置EXTI线路为事件请求
EXTI_Mode_Interrupt设置EXTI线路为中断请求

参数EXTI_Trigger设置了被使能线路的触发边沿，参数值如表5.5所示。


表5.5EXTI_Trigger取值





EXTI_Trigger的值描述


EXTI_Trigger_Falling设置输入线路下降沿为中断请求
EXTI_Trigger_Rising设置输入线路上升沿为中断请求
EXTI_Trigger_Rising_Falling设置输入线路上升沿和下降沿为中断请求

相关参数的定义实例代码如下： 

EXTI_InitStruct.EXTI_Line=EXTI_Line11|EXTI_Line13;

EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd=ENABLE;

EXTI_InitStruct.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;

EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling;

EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);


5.4.2函数GPIO_EXTILineConfig（）
这个函数的声明在stm32f10x_gpio.h文件中，具体描述如表5.6所示。


表5.6GPIO_EXTILineConfig（）函数描述表



函数名GPIO_EXTILineConfig

函数原型void GPIO_EXTILineConfig(u8 GPIO_PortSource,u8 GPIO_PinSource)
功能描述选择GPIO引脚用作外部中断线路
输入参数1GPIO_PortSource: 选择用作外部中断线源的GPIO端口

参阅“Section： GPIO_PortSource”，了解该参数允许的取值范围的更多内容
输入参数2EXTI_PinSource: 待设置的外部中断线路

该参数可以取GPIO_PinSourcex(x 可以是0～15)
输出参数无
返回值无
先决条件无
被调用函数无

函数调用实例代码如下： 

/* Selects PB.8 as EXTI Line 8 */

GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSource_GPIOB, GPIO_PinSource8);


5.5EXTI的应用实例
5.5.1EXTI的初始化步骤

(1) 使能EXTI线所在的GPIO时钟和AFIO复用时钟。
(2) 初始化EXTI线所在的GPIO的输入输出模式。
(3) 将GPIO脚映射到对应的EXTI线上。
(4) 设置NVIC优先级分组，初始化NVIC。
(5) 初始化EXTI。
5.5.2EXTI应用实例
【例5.1】实现图5.2所示按键控制LED灯发光花样。




图5.2例5.1程序对应电路图




#include "stm32f10x.h"

#include "exti.h"

#include "led.h"

#define bitband(A,n) *((volatile u32 *)((A&0xf0000000)+0x2000000+((((A&0xfffff)<<3)+n)<<2)))

#define GPIOB_ODR_Addr (GPIOB_BASE+0x0C)

#define PBout(n) bitband(GPIOB_ODR_Addr,n)


void exti_init(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;

EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;



RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO|RCC_APB2Periph_GPIOB

|RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);

 

GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1; 

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);	



GPIO_InitStruct.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPU;

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin=GPIO_Pin_13; 

GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_InitStruct);	



//GPIO_EXTILineConfig函数声明在stm32f10x_gpio.h中

GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource0);

GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOB,GPIO_PinSource1);

GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOC,GPIO_PinSource13);

 

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //NVIC相关函数声明在misc.h中

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel=EXTI0_IRQn; //中断请求名在stm32f10x.h中

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority=2;

NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

 

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel=EXTI1_IRQn;

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=1; //抢占优先级

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority=2; //响应优先级

NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

 

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel=EXTI15_10_IRQn;

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;

NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority=2;

NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);



EXTI_InitStruct.EXTI_Line=EXTI_Line0|EXTI_Line1;

EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd=ENABLE;

EXTI_InitStruct.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;

EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling;

EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);

 

EXTI_InitStruct.EXTI_Line=EXTI_Line13;

EXTI_InitStruct.EXTI_LineCmd=ENABLE;

EXTI_InitStruct.EXTI_Mode=EXTI_Mode_Interrupt;

EXTI_InitStruct.EXTI_Trigger=EXTI_Trigger_Falling;

EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);

 

}



void EXTI0_IRQHandler(void)

{

if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0)==SET)

water_led_register();

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);

}



void EXTI1_IRQHandler(void)

{

if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1)==SET)

blink_register();

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);

}



void EXTI15_10_IRQHandler(void)

{

if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line13)==SET)

centerflower_bitband();

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line13);

}



void Delay(u32 count)

{

u32 i = 0;

for(; i < count; i++);

}



/*********************************************************************

GPIO初始化函数步骤： 

1.使能PB时钟、AFIO时钟

2.失能JTAG/SWD下载功能以恢复PB3，PB4的IO功能

3.初始化PB3，PB4，PB5为推挽输出

*********************************************************************/

void led_init_register(void)

{

RCC->APB2ENR |= (0x01|(0x01<<3));

AFIO->MAPR = (0x4<<24);

GPIOB->CRL |= (0x01<<12)|(0x01<<16)|(0x01<<20);



}



void led_init_libfunc(void)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;



RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);

GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable,ENABLE);



GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5;

GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;

GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStruct);

}



void water_led_register(void)

{

char i=4;

//使用寄存器控制GPIOB输出 

while(i!=0)

{

GPIOB->ODR = 0xffff;

GPIOB->ODR &= ～(0x01<<3);

Delay(3000000);



GPIOB->ODR = 0xffff;

GPIOB->ODR &= ～(0x01<<4);

Delay(3000000);



GPIOB->ODR = 0xffff;

GPIOB->ODR &= ～(0x01<<5);

Delay(3000000); 



i--;

} 

}



void blink_register(void)

{

char i=4;

while(i!=0)

{

GPIOB->BRR = (0x01<<3)|(0x01<<4)|(0x01<<5);

Delay(3000000);



GPIOB->BSRR = (0x01<<3)|(0x01<<4)|(0x01<<5);

Delay(3000000);



GPIOB->BSRR = ((0x01<<3)|(0x01<<4)|(0x01<<5))<<16;

Delay(3000000); 



GPIOB->BSRR = (0x01<<3)|(0x01<<4)|(0x01<<5);

Delay(3000000); 



i--;

}



}



void blink2water_libfunc(void)

{

char i=4; 

//使用库函数控制GPIOB输出

while(i!=0)

{

GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5);

Delay(3000000); 



GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_3);

Delay(3000000);



GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5);

Delay(3000000);



GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_3);

Delay(3000000);



GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5,Bit_SET);

Delay(3000000);



GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_4,Bit_RESET);

Delay(3000000);



GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5,Bit_SET);

Delay(3000000);



GPIO_WriteBit(GPIOB,GPIO_Pin_4,Bit_RESET);

Delay(3000000);



GPIO_Write(GPIOB,0xffff);

Delay(3000000);



GPIO_Write(GPIOB,～(0x01<<5));

Delay(3000000);



GPIO_Write(GPIOB,0xffff);

Delay(3000000);



GPIO_Write(GPIOB,～(0x01<<5));

Delay(3000000);



i--;

}

}



void centerflower_bitband(void)

{

char i=4;

//使用位带操作控制GPIOB输出

while(i!=0)

{

PBout(3)=1;

PBout(4)=1;

PBout(5)=1;

Delay(3000000);



PBout(3)=1;

PBout(4)=0;

PBout(5)=1;

Delay(3000000);



PBout(3)=0;

PBout(4)=1;

PBout(5)=0;

Delay(3000000);



i--;

} 

}





int main(void)

{

led_init_libfunc();

exti_init();

 

while(1) 

blink2water_libfunc();

}