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《嵌入式 – 深入剖析STM32》STM32中断详解

深入剖析STM32 BruceOu 7个月前 (01-17) 170次浏览 0个评论

srHvGV.jpg

1 异常类型

CM3内核支持256个中断,其中 16个 内核中断和240个外部中断,并具有256级可编程中断设置。STM32并没有使用CM3的全部内容,而是使用了一部分。STM32有84个中断,包括16个内核中断和68个可屏蔽中断,具有16级可编程中断优先级。STM32F103 在内核水平上搭载了一个异常响应系统, 支持为数众多的系统异常和外部中断。其中系统异常有 8 个(如果把 Reset 和 HardFault 也算上的话就是 10 个),外部中断有 60个。除了个别异常的优先级被定死外,其它异常的优先级都是可编程的。有关具体的系统异常和外部中断可在标准库文件 stm32f10x.h 这个头文件查询到,在 IRQn_Type 这个结构体里面包含了 F103 系列全部的异常声明。F103 系统异常清单见下表。

表1 F103 系统异常清单

srqtt1.png

表2 F103 外部中断清单

srqap6.png

….

srqw6O.png

2 NVIC 简介

在讲如何配置中断优先级之前,我们需要先了解下 NVIC。 NVIC 是嵌套向量中断控制器,控制着整个芯片中断相关的功能,它跟内核紧密耦合,是内核里面的一个外设。但是各个芯片厂商在设计芯片的时候会对 Cortex-M3 内核里面的 NVIC 进行裁剪,把不需要的部分去掉,所以说 STM32 的 NVIC 是 Cortex-M3 的 NVIC 的一个子集。

2.1 NVIC 寄存器简介

在固件库中, NVIC 的结构体定义可谓是颇有远虑,给每个寄存器都预留了很多位,恐怕为的是日后扩展功能。不过 STM32F103 可用不了这么多,只是用了部分而已,具体使用了多少可参考《 Cortex-M3 内核编程手册》的NVIC 寄存器映射。

srqDne.png

[ps] NVIC 结构体定义,来自固件库头文件: core_cm3.h。

在配置中断的时候我们一般只用 ISER、 ICER 和 IP 这三个寄存器, ISER 用来使能中断, ICER 用来失能中断,IP 用来设置中断优先级。

2.2 NVIC 中断配置固件库

固件库文件 core_cm3.h 的最后,还提供了 NVIC 的一些函数,这些函数遵循 CMSIS 规则,只要是 Cortex-M3 的处理器都可以使用,具体如下:

表3符合 CMSIS 标准的 NVIC 库函数
NVIC 库函数 描述
void NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn) 使能中断
void NVIC_DisableIRQ(IRQn_Type IRQn) 失能中断
void NVIC_SetPendingIRQ(IRQn_Type IRQn) 设置中断悬起位
void NVIC_ClearPendingIRQ(IRQn_Type IRQn) 清除中断悬起位
uint32_t NVIC_GetPendingIRQ(IRQn_Type IRQn) 获取悬起中断编号
void NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority) 设置中断优先级
uint32_t NVIC_GetPriority(IRQn_Type IRQn) 获取中断优先级
void NVIC_SystemReset(void) 系统复位

这些库函数我们在编程的时候用的都比较少,甚至基本都不用。

3优先级的定义

3.1优先级定义

在 NVIC 有一个专门的寄存器:中断优先级寄存器 NVIC_IPRx,用来配置外部中断的优先级, IPR 宽度为 8bit,原则上每个外部中断可配置的优先级为 0~255,数值越小,优先级越高。但是绝大多数 CM3 芯片都会精简设计,以致实际上支持的优先级数减少,在F103 中,只使用了高 4bit, 如下所示:

表4 F103 使用 4bit 表达优先级

srqR9P.png

用于表达优先级的这 4bit,又被分组成抢占优先级和子优先级。如果有多个中断同时响应,抢占优先级高的就会 抢占 抢占优先级低的优先得到执行,如果抢占优先级相同,就比较子优先级。如果抢占优先级和子优先级都相同的话,就比较他们的硬件中断编号,编号越小,优先级越高。

3.2优先级分组

优先级的分组由内核外设 SCB 的应用程序中断及复位控制寄存器 AIRCR 的PRIGROUP[10:8]位决定, F103 分为了 5 组,具体如下:主优先级=抢占优先级

表5优先级分组

srqhjS.png

设置优先级分组可调用库函数 NVIC_PriorityGroupConfig()实现,有关 NVIC 中断相关的库函数都在库文件 misc.c 和 misc.h 中。

 /**
 * 配置中断优先级分组:抢占优先级和子优先级
 * 形参如下:
 * @arg NVIC_PriorityGroup_0: 0bit for 抢占优先级
 *                            4 bits for 子优先级
 * @arg NVIC_PriorityGroup_1: 1 bit for 抢占优先级
 *                            3 bits for 子优先级
 * @arg NVIC_PriorityGroup_2: 2 bit for 抢占优先级
 *                            2 bits for 子优先级
 * @arg NVIC_PriorityGroup_3: 3 bit for 抢占优先级
 *                            1 bits for 子优先级
 * @arg NVIC_PriorityGroup_4: 4 bit for 抢占优先级
 *                            0 bits for 子优先级
 * @注意 如果优先级分组为 0,则抢占优先级就不存在,优先级就全部由子优先级控制
 */
 void NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup)
 {
     // 设置优先级分组
     SCB->AIRCR = AIRCR_VECTKEY_MASK | NVIC_PriorityGroup;
 }

表6 优先级分组真值表

srqIBQ.png

3.3中断编程

在配置每个中断的时候一般有 3 个编程要点:
1、使能外设某个中断,这个具体由每个外设的相关中断使能位控制。比如串口有发送完成中断,接收完成中断,这两个中断都由串口控制寄存器的相关中断使能位控制。

2、初始化 NVIC_InitTypeDef 结构体,配置中断优先级分组,设置抢占优先级和子优先级,使能中断请求。 NVIC_InitTypeDef 结构体在固件库头文件 misc.h 中定义。

typedef struct {
    uint8_t NVIC_IRQChannel; // 中断源
    uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority; // 抢占优先级
    uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority; // 子优先级
    FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd; // 中断使能或者失能
} NVIC_InitTypeDef;

有关 NVIC 初始化结构体的成员我们一一解释下:

1) NVIC_IROChannel:用来设置中断源,不同的中断中断源不一样,且不可写错,即使写错了程序也不会报错,只会导致不响应中断。具体的成员配置可参考 stm32f10x.h 头文件里面的 IRQn_Type 结构体定义,这个结构体包含了所有的中断源。

 typedef enum IRQn {
     //Cortex-M3 处理器异常编号
     NonMaskableInt_IRQn = -14,
     MemoryManagement_IRQn = -12,
     BusFault_IRQn = -11,
     UsageFault_IRQn = -10,
     SVCall_IRQn = -5,
     DebugMonitor_IRQn = -4,
     PendSV_IRQn = -2,
    SysTick_IRQn = -1,
    //STM32 外部中断编号
    WWDG_IRQn = 0,
    PVD_IRQn = 1,
    TAMP_STAMP_IRQn = 2,

    //限于篇幅,中间部分代码省略,具体的可查看库文件 stm32f10x.h

    DMA2_Channel2_IRQn = 57,
    DMA2_Channel3_IRQn = 58,
    DMA2_Channel4_5_IRQn = 59
 } IRQn_Type;

2) NVIC_IRQChannelPreemptionPriority:抢占优先级,具体的值要根据优先级分组来确定,具体参考表6优先级分组真值表 。

3) NVIC_IRQChannelSubPriority:子优先级,具体的值要根据优先级分组来确定,具体参考表6优先级分组真值表 。

4) NVIC_IRQChannelCmd:中断使能( ENABLE)或者失能( DISABLE)。操作的是 NVIC_ISER 和 NVIC_ICER 这两个寄存器。

3、编写中断服务函数
在启动文件 startup_stm32f10x_hd.s 中我们预先为每个中断都写了一个中断服务函数,只是这些中断函数都是为空,为的只是初始化中断向量表。实际的中断服务函数都需要我们重新编写,为了方便管理我们把中断服务函数统一写在 stm32f10x_it.c 这个库文件中。关于中断服务函数的函数名必须跟启动文件里面预先设置的一样,如果写错,系统就在中断向量表中找不到中断服务函数的入口,直接跳转到启动文件里面预先写好的空函数,并且在里面无限循环,实现不了中断


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