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一、中断系统
stm32微控制器的中断系统是其功能强大和灵活性的重要组成部分。中断允许微控制器在执行主程序的同时，及时响应外部事件或内部条件的变化，从而实现高效的实时控制和数据处理。核心的中断控制器是nvic（nested vectored interrupt controller），负责管理和分发所有的中断请求，并支持优先级分组，使开发人员能够为不同的中断源设置不同的优先级。stm32支持多种类型的中断，包括外部中断、定时器中断、串口中断和dma中断。每种中断类型都有特定的配置方式和中断服务程序编写规范，以确保及时和有效地处理相应的事件。中断使能和中断优先级设置是配置中断系统的关键步骤，同时需要编写高效的中断服务程序，以便快速响应并尽快恢复主程序的执行。这些特性使得stm32在广泛的嵌入式应用中表现出色，为实时控制和数据处理提供了强大支持。
1、中断的原理
下面通过一个生活中的例子，帮助更好的去理解中断：
可以看到图中，由最开始的看书，转到最后的去卫生间，这个过程中，看书就受到了中断。我们将看书看作主程序，快递电话、肚子疼视为中断源，取快递和去卫生间视为中断服务程序 ，但是通过箭头可以看到，最后还是返回到了看书的 “主程序” ，所以，中断还存在返回，我们叫做中断返回。
在计算机中，执行程序过程中，当出现异常情况（断电等）或特殊请求（数据传输等）时，计算机暂停现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求进行处理，处理完毕后再返回到现行程序的中断处，继续执行原程序，这就是“中断”。
中断的主要处理流程为：中断请求——>中断响应——>中断服务——>中断返回
中断请求：中断请求是中断源向cpu发出中断请求信号，此时中断控制系统的中断请求寄存器被置位，向cpu请求中断
中断响应：cpu的中断系统判断中断源的中断请求是否符合中断响应条件，如果符合条件，则暂时中断当前程序并控制程序跳转到中断服务程序
中断服务：为处理中断而编写的程序称为中断服务程序，是由开发人员针对具体中断所要实现的功能进行设计和编写的，需要由开发人员来实现
中断返回：cpu退出中断服务程序，返回到中断请求响应之前被中止的位置继续执行主程序。这部分操作同样由硬件来实现，不需要开发人员进行处理
当发生了异常或中断，内核要想响应这些异常或中断，就需要知道这些异常或中断的服务程序的入口地址，再由入口地址找到相应的中断服务程序，由中断入口地址组成的表称作中断向量表（如下图）。
stm32中断系统的结构和工作原理如下：
中断请求来源：stm32的中断请求可以来自外部和内部两个方面。外部中断是由gpio口引脚的电平或边沿信号变化触发，而内部中断通常是由硬件模块（如定时器、adc）或软件产生的。
nvic控制器：在stm32中，所有中断请求都由nvic（nested vectored interrupt controller）控制器进行管理和调度。nvic是一个基于向量表的中断控制器，通过优先级和向量表来实现对中断请求的管理。
中断分组：stm32将中断分为多个组别，每个组别包含一组中断请求。不同组别的中断请求可以具有不同的优先级，并且可以使用优先级抢占和屏蔽机制来确保系统的实时性和可靠性。stm32中断分组方式可选为0~4个前缀，用于设定中断优先级组和亚组。
中断服务程序：当中断事件发生后，cpu会暂停当前任务并跳转到相应的中断服务程序，处理该事件。中断服务程序通常包括以下几个步骤：保存cpu寄存器的值（包括堆栈指针、程序计数器等）处理中断请求（根据外部或内部中断的类型进行相应的处理，如清除标志位、读取数据等操作）执行用户自定义代码（根据实际需求执行用户自定义的代码段）恢复cpu寄存器的值（将保存在堆栈中的寄存器值恢复到其原始状态，以便cpu继续执行之前的任务）
中断优先级：stm32中，所有中断请求都具有唯一的编号（irqn），并且可以根据编号和中断分组方式确定其优先级。优先级高的中断可以打断正在执行的低优先级中断，从而确保系统的实时性和可靠性。如果多个中断请求的优先级相同，则可以使用优先级抢占机制来确定响应顺序
2、中断类型
外部中断
exti（外部中断/事件控制器）支持19个外部中断/事件请求，每个中断/事件都有独立的触发和屏蔽设置，具有中断模式和事件模式两种设置模式。
其是一种通过配置gpio引脚并使用exti线路实现的事件处理机制。在初始化gpio引脚为输入并设置相应的中断触发方式后，可以通过编写中断服务程序来响应外部事件。例如，配置gpio引脚为上升沿触发，当引脚接收到上升沿信号时，会触发预先定义的中断服务程序，以便快速处理事件。这种机制使得stm32能够高效地监听和响应外部触发事件，广泛应用于各种应用场景中。
- 输入线：exti有19个中断/事件输入线，这些输入线可以通过寄存器设置为任意一个gpio,也可以是一些外设事件。
- 边沿检测电路：它会根据上升沿触发选择寄存器（exti_rtsr）和下降沿出发选择器（exti_ftsr）对应的设置来控制信号触发。
上升沿触发选择寄存器：要配置stm32微控制器的外部中断以在上升沿触发时响应，首先需通过gpio的配置寄存器（如gpioxcrh或gpioxcrl）将相应引脚设置为输入模式。接着，在extix_rtsr寄存器中设置相应的位来使能对应的外部中断线x的上升沿触发。最后，在nvic中使能对应外部中断的中断处理。这些步骤确保了当引脚接收到上升沿信号时，系统能够及时调用预定义的中断服务程序来处理事件。
下降沿触发选择寄存器：要配置stm32微控制器的外部中断以在下降沿触发时响应，首先需通过gpio的配置寄存器（如gpiox_crh或gpiox_crl）将相应引脚设置为输入模式。接着，在extix_ftsr寄存器中设置相应的位来使能对应的外部中断线x的下降沿触发。最后，在nvic中使能对应外部中断的中断处理。这些步骤确保了当引脚接收到下降沿信号时，系统能够及时调用预定义的中断服务程序来处理事件。
gpio的中断是以组为单位的，同组的外部中断公用一条外部中断线。
例如：pa0、pb0、pc0、pd0、pe0、pf0、pg0这些为一组，如果使用pa0作为外部中断源，那么pb0、pc0、pd0、pe0、pf0、pg0就不能同时再作为外部中断使用了，在此情况下，只能使用类似于pb1、pc2这种末端序号不同的外部中断源。
gpio引脚和外部中断线的映射关系图如下：
定时器中断
stm32微控制器的定时器是关键的外设，用于生成精确的时间延迟和周期性任务。通过选择合适的定时器类型（如通用定时器tim或基本定时器tim6/tim7），配置工作模式和中断触发条件，可以实现定时器中断功能。配置过程包括设置时钟源、计数器初值和自动重装载寄存器，以及使能中断并编写相应的中断服务程序。这些步骤确保了定时器可以在达到预设计数值时产生中断请求，从而实现精确的时间控制和周期性任务执行，适用于实时操作系统、通信协议和其他时间敏感应用。
要配置stm32微控制器的定时器中断，首先选择适合需求的定时器（如tim1、tim2等），配置其工作模式、时钟源和计数周期。通过使能定时器中断控制寄存器中的更新中断位（uie），允许定时器溢出时产生中断请求。
- 时钟和预分频设置：选择适当的时钟源和预分频器，以确定定时器的计数频率。
- 计数器设置：设置定时器的计数器初值和自动重装载寄存器（arr），确定定时器的计数周期。
- 中断使能：通过使能定时器中断使能寄存器中的相应中断使能位（如uie），允许定时器溢出时产生中断请求。
然后编写中断服务程序来处理定时器中断事件，包括清除中断标志、执行特定的定时任务并重新配置定时器。最后，确保在主程序中使能全局中断，以确保定时器中断能够正常触发和处理。这些步骤能够有效配置和利用stm32定时器中断功能，用于实现各种时间相关的应用和功能需求。
dma中断
在stm32微控制器中，dma（直接存储器访问）提供了高效的数据传输机制，允许外设和内存之间直接交换数据，无需cpu的干预，从而提升系统效率和响应速度。dma传输完成时可触发中断通知cpu，通过使能dma中断并配置中断服务程序，可以实现在数据传输完成时执行额外操作或启动后续任务，适用于实时数据处理、高速数据采集和图形显示等应用场景，有效优化系统性能和数据处理效率。
3、中断处理函数
中断标志位清除
void exti0_irqhandler(void)
{
if (exti_getitstatus(exti_line0) != reset)
{
exti_clearitpendingbit(exti_line0);
// 接中断服务程序代码
}
}中断服务程序退出
void exti0_irqhandler(void)
{
if (exti_getitstatus(exti_line0) != reset)
{
exti_clearitpendingbit(exti_line0);
// 接中断服务程序代码
}
nvic_clearpendingirq(exti0_irqn);二、实际应用
中断控制led
任务要求
用stm32f103核心板的gpioa端一管脚接一个led，gpiob端口一引脚接一个开关（用杜邦线模拟代替）。采用中断模式编程，当开关接高电平时，led亮灯；接低电平时，led灭灯。如果完成后，尝试在main函数while循环中加入一个串口每隔1s 发送一次字符的代码片段，观察按键中断对串口发送是否会带来干扰或延迟。
代码示例
led.c
#include "stm32f10x.h" // device header
/**
* 函 数：led初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void led_init(void)
{
/*开启时钟*/
rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_gpioa, enable); //开启gpioa的时钟
/*gpio初始化*/
gpio_inittypedef gpio_initstructure;
gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_out_pp;
gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_all;
gpio_initstructure.gpio_speed = gpio_speed_50mhz;
gpio_init(gpioa, &gpio_initstructure);
gpio_resetbits(gpioa, gpio_pin_0);
}exti_key.c
#include "exti_key.h"
#include "misc.h"
void exti_key_init(void)
{
gpio_inittypedef gpio_initstructure;
rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_gpiob | rcc_apb2periph_afio, enable);
gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_1; // 使用 b 口的引脚 1
gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_in_floating;
gpio_init(gpiob, &gpio_initstructure);
nvic_inittypedef nvic_initstructure;
nvic_prioritygroupconfig(nvic_prioritygroup_2);
nvic_initstructure.nvic_irqchannel = exti1_irqn; // 使用与 gpiob 引脚 1 相关的外部中断通道
nvic_initstructure.nvic_irqchannelpreemptionpriority = 0;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelsubpriority = 1;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelcmd = enable;
nvic_init(&nvic_initstructure);
exti_inittypedef exti_initstructure;
exti_clearitpendingbit(exti_line1);
gpio_extilineconfig(gpio_portsourcegpiob, gpio_pinsource1); // 将 gpiob 和引脚 1 配置为外部中断
exti_initstructure.exti_line = exti_line1;
exti_initstructure.exti_mode = exti_mode_interrupt;
exti_initstructure.exti_trigger = exti_trigger_falling;
exti_initstructure.exti_linecmd = enable;
exti_init(&exti_initstructure);
}main.c
#include "stm32f10x.h" // device header
#include "led.h"
#include "exti_key.h"
int main(void)
{
led_init();
gpio_resetbits(gpioa,gpio_pin_0);
exti_key_init();
while (1)
{
}
}
//void exti1_irqhandler(void)
//{
// if(exti_getitstatus(exti_line1) != reset)
// {
// gpio_writebit(gpioa,gpio_pin_0,(bitaction)((1-gpio_readoutputdatabit(gpioa,gpio_pin_0))));
// exti_clearitpendingbit(exti_line1);
// }
//}
//两种方法
uint8_t led = 1;
void exti1_irqhandler(void)
{
if(exti_getitstatus(exti_line1) != reset)
{
led = ~led; //状态翻转
//如果等于1，则pb1复位点亮，否则置1熄灭
if(led == 1)
gpio_resetbits(gpioa,gpio_pin_0);
else
gpio_setbits(gpioa,gpio_pin_0);
}
exti_clearitpendingbit(exti_line1); //清除exti1的中断标志位
}即可实现中断控制led灯亮灭。
中断控制串口通信
任务要求1
当stm32接收到1个字符“s”时，停止持续发送“hello windows!”; 当接收到1个字符“t”时，持续发送“hello windows!”
代码示例
#include "stm32f10x.h"
#include "misc.h"
#include <string.h>
volatile uint8_t send_enabled = 0; // 全局变量，控制发送行为
void usart_configuration(void) {
usart_inittypedef usart_initstructure;
gpio_inittypedef gpio_initstructure;
// 打开 gpio 与 usart 端口的时钟
rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_gpioa | rcc_apb2periph_usart1, enable);
// 配置 usart1 tx (pa.09) 为复用推挽输出
gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_9;
gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_af_pp;
gpio_initstructure.gpio_speed = gpio_speed_50mhz;
gpio_init(gpioa, &gpio_initstructure);
// 配置 usart1 rx (pa.10) 为浮空输入
gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_10;
gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_in_floating;
gpio_init(gpioa, &gpio_initstructure);
// 配置 usart 参数
usart_initstructure.usart_baudrate = 9600;
usart_initstructure.usart_wordlength = usart_wordlength_8b;
usart_initstructure.usart_stopbits = usart_stopbits_1;
usart_initstructure.usart_parity = usart_parity_no;
usart_initstructure.usart_hardwareflowcontrol = usart_hardwareflowcontrol_none;
usart_initstructure.usart_mode = usart_mode_rx | usart_mode_tx;
usart_init(usart1, &usart_initstructure);
// 使能 usart
usart_cmd(usart1, enable);
// 使能接收中断
usart_itconfig(usart1, usart_it_rxne, enable);
// 配置 nvic
nvic_inittypedef nvic_initstructure;
nvic_initstructure.nvic_irqchannel = usart1_irqn;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelpreemptionpriority = 0;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelsubpriority = 0;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelcmd = enable;
nvic_init(&nvic_initstructure);
}
void usart1_irqhandler(void) {
if(usart_getitstatus(usart1, usart_it_rxne) != reset) {
char data = usart_receivedata(usart1);
if(data == 's') { // 接收到 's' 停止发送
send_enabled = 0;
} else if (data == 't') { // 接收到 't' 开始发送
send_enabled = 1;
}
usart_clearitpendingbit(usart1, usart_it_rxne);
}
}
void delay(__io uint32_t ncount) {
for(; ncount != 0; ncount--);
}
int main(void) {
systeminit();
usart_configuration();
char *str = "hello windows!\r\n";
while(1) {
if(send_enabled) {
for(uint32_t i = 0; i < strlen(str); i++) {
while(usart_getflagstatus(usart1, usart_flag_txe) == reset);
usart_senddata(usart1, str[i]);
}
}
delay(5000000);
}
}任务要求2
当stm32接收到字符“stop stm32!”时，停止持续发送“hello windows!”; 当接收到字符“go stm32!”时，持续发送“hello windows!”(提示：要将接收到的连续字符保存到一个字符数组里，进行判别匹配。写一个接收字符串的函数。）
代码示例
nvic.c
#include "stm32f10x.h" // device header
void nvic_configuration(void) {
nvic_inittypedef nvic_initstructure;
nvic_prioritygroupconfig(nvic_prioritygroup_0);
nvic_initstructure.nvic_irqchannel = usart1_irqn;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelsubpriority = 0;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelpreemptionpriority = 0;
nvic_initstructure.nvic_irqchannelcmd = enable;
nvic_init(&nvic_initstructure);
}
serial.c
#include "stm32f10x.h" // device header
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
/**
* 函 数：串口初始化
* 参 数：无
* 返 回 值：无
*/
void serial_init(void)
{
/*开启时钟*/
usart_inittypedef usart_initstructure;
gpio_inittypedef gpio_initstructure;
rcc_apb2periphclockcmd(rcc_apb2periph_gpioa | rcc_apb2periph_usart1, enable);
// usart tx (pa.09) 配置为复用推挽输出
gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_9;
gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_af_pp;
gpio_initstructure.gpio_speed = gpio_speed_50mhz;
gpio_init(gpioa, &gpio_initstructure);
// usart rx (pa.10) 配置为浮空输入
gpio_initstructure.gpio_pin = gpio_pin_10;
gpio_initstructure.gpio_mode = gpio_mode_in_floating;
gpio_init(gpioa, &gpio_initstructure);
usart_initstructure.usart_baudrate = 9600;
usart_initstructure.usart_wordlength = usart_wordlength_8b;
usart_initstructure.usart_stopbits = usart_stopbits_1;
usart_initstructure.usart_parity = usart_parity_no;
usart_initstructure.usart_hardwareflowcontrol = usart_hardwareflowcontrol_none;
usart_initstructure.usart_mode = usart_mode_rx | usart_mode_tx;
usart_init(usart1, &usart_initstructure);
usart_itconfig(usart1, usart_it_rxne, enable); // 开启接收中断
usart_cmd(usart1, enable);
}main.c
#include "stm32f10x.h"
#include "misc.h"
#include <string.h>
#include "delay.h"
#include "serial.h"
#include "nvic.h"
#define buffer_size 100
volatile char buffer[buffer_size];
volatile int buffer_index = 0;
volatile int send_enabled = 0;
void usart1_irqhandler(void) {
if (usart_getitstatus(usart1, usart_it_rxne) != reset) {
char data = (char)usart_receivedata(usart1);
if (buffer_index < buffer_size - 1) {
buffer[buffer_index++] = data;
buffer[buffer_index] = '\0'; // 保持字符串结尾
char* temp_buffer = (char*)buffer; // 创建一个非 volatile 指针
if (strstr(temp_buffer, "stop stm32!") != null) {
send_enabled = 0;
buffer_index = 0; // 清空缓冲区
} else if (strstr(temp_buffer, "go stm32!") != null) {
send_enabled = 1;
buffer_index = 0; // 清空缓冲区
}
}
}
}
int main(void) {
systeminit();
serial_init();
nvic_configuration();
char *str = "hello windows!\r\n";
while (1) {
if (send_enabled) {
for (uint32_t i = 0; i < strlen(str); i++) {
while (usart_getflagstatus(usart1, usart_flag_txe) == reset);
usart_senddata(usart1, str[i]);
}
}
delay_ms(500);
}
}最后使用串口助手即可（野火以及其他串口助手均可）。
总结
本章内容理解上不存在太多有问题的地方，对于中断的理解更像是正51单片机的另一个翻版，对于实践过程中的问题，远远多于理论理解，关于软件的操作，环境的配置，串口的调试运行，都是之前学习的逐渐累积，在学习上，没有一蹴而就，要脚踏实地，做好每一步，才可以更好更快，更高效率完成任务。
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