STM32单片机中断实战指南：从零到精通中断编程

# 1. STM32中断基础**

中断是STM32单片机中一种重要的事件处理机制，它允许CPU在外部事件或内部事件发生时暂停当前执行的任务，转而处理这些事件。中断系统由中断向量表、中断处理函数、中断优先级和中断使能位组成。

中断向量表是一个存储在固定地址的表，它包含了所有中断处理函数的地址。当一个中断发生时，CPU会根据中断号从中断向量表中获取对应的中断处理函数地址，并跳转到该函数执行。

中断处理函数是响应特定中断事件而编写的代码。它负责处理中断事件，并采取适当的措施。中断处理函数的执行时间应该尽可能短，以避免对系统性能产生影响。

# 2.1 中断向量表和中断处理函数

### 2.1.1 中断向量表的结构和作用

中断向量表是存储在 MCU 内存中的一个特殊表，其中包含每个中断源对应的中断处理函数的地址。当发生中断时，MCU 会根据中断源的编号从中断向量表中获取中断处理函数的地址，然后跳转到该函数执行。

中断向量表通常位于 MCU 内存的低地址区域，其结构因不同的 MCU 而异。对于 STM32 系列 MCU，中断向量表位于地址 0x0000 0000，其结构如下：

| 地址 | 内容 |
|---|---|
| 0x0000 0000 | 复位向量 |
| 0x0000 0004 | 非屏蔽中断向量 |
| 0x0000 0008 | 硬故障向量 |
| 0x0000 000C | 内存管理向量 |
| 0x0000 0010 | 总线故障向量 |
| 0x0000 0014 | 使用故障向量 |
| 0x0000 0018 | SVCall 向量 |
| 0x0000 001C | Debug 向量 |
| 0x0000 0020 | PendSV 向量 |
| 0x0000 0024 | SysTick 向量 |
| ... | ... |

其中，复位向量指向复位处理函数，非屏蔽中断向量指向非屏蔽中断处理函数，其他向量指向各自的中断处理函数。

### 2.1.2 中断处理函数的编写和调用

中断处理函数是响应特定中断源的中断服务例程。其一般格式如下：

void <中断处理函数名>(void)
{
    // 中断处理代码
}

中断处理函数中通常包含以下内容：

* **保存寄存器：**保存当前执行上下文的寄存器，以备中断处理结束后恢复。
* **清除中断标志位：**清除中断源对应的中断标志位，以表示中断已处理。
* **中断处理逻辑：**执行中断处理的具体逻辑，例如读取输入数据、设置输出数据等。
* **恢复寄存器：**恢复中断发生前保存的寄存器，以继续执行中断前的代码。

当发生中断时，MCU 会自动调用中断处理函数。中断处理函数的地址是从中断向量表中获取的。

# 3. STM32中断应用

### 3.1 外部中断

#### 3.1.1 外部中断的类型和配置

STM32单片机支持多种外部中断源，包括外部引脚中断、外部唤醒中断和事件中断。

* **外部引脚中断**：由外部引脚电平变化触发，可配置为上升沿、下降沿或双沿触发。
* **外部唤醒中断**：由外部唤醒引脚电平变化触发，即使单片机处于低功耗模式也能唤醒单片机。
* **事件中断**：由内部事件触发，如看门狗溢出、RTC闹钟等。

外部中断的配置过程如下：

1. **选择中断源**：确定触发中断的外部事件源。
2. **配置中断优先级**：设置中断优先级，决定中断响应的顺序。
3. **使能中断**：通过设置寄存器位使能中断。

#### 3.1.2 外部中断的应用实例

外部中断在实际应用中非常广泛，如按键检测、传感器触发、故障报警等。

**按键检测**：

void EXTI0_IRQHandler(void) {
  // 清除中断标志位
  EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;

  // 执行按键处理逻辑
  // ...
}

**传感器触发**：

void EXTI9_5_IRQHandler(void) {
  // 清除中断标志位
  EXTI->PR |= EXTI_PR_PR9;

  // 读取传感器数据
  // ...
}

### 3.2 定时器中断

#### 3.2.1 定时器中断的配置和使用

STM32单片机内置多个定时器，可产生定时中断。定时器中断的配置过程如下：

1. **选择定时器**：确定使用哪个定时器产生中断。
2. **配置定时器时钟源**：设置定时器时钟源，如内部时钟、外部时钟等。
3. **设置定时器重装载值**：设置定时器重装载值，决定中断周期。
4. **使能定时器中断**：通过设置寄存器位使能定时器中断。

#### 3.2.2 定时器中断的应用实例

定时器中断在实际应用中非常广泛，如定时任务、PWM输出、时钟同步等。

**定时任务**：

void TIM2_IRQHandler(void) {
  // 清除中断标志位
  TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;

  // 执行定时任务逻辑
  // ...
}

**PWM输出**：

void TIM3_IRQHandler(void) {
  // 清除中断标志位
  TIM3->SR &= ~TIM_SR_UIF;

  // 更新 PWM 输出值
  // ...
}

### 3.3 通信中断

#### 3.3.1 UART中断的配置和使用

UART（通用异步收发器）中断用于处理串口通信中的数据传输和接收。UART中断的配置过程如下：

1. **选择 UART 外设**：确定使用哪个 UART 外设。
2. **配置 UART 波特率**：设置 UART 波特率，决定数据传输速率。
3. **使能 UART 中断**：通过设置寄存器位使能 UART 中断。

#### 3.3.2 I2C中断的配置和使用

I2C（串行外围接口）中断用于处理 I2C 通信中的数据传输和接收。I2C 中断的配置过程如下：

1. **选择 I2C 外设**：确定使用哪个 I2C 外设。
2. **配置 I2C 时钟**：设置 I2C 时钟频率，决定数据传输速率。
3. **使能 I2C 中断**：通过设置寄存器位使能 I2C 中断。

# 4.1 中断服务函数优化

### 4.1.1 中断服务函数的执行时间优化

中断服务函数的执行时间越短，系统对中断的响应速度就越快。以下是一些优化中断服务函数执行时间的技巧：

- **避免使用复杂的计算和循环：**中断服务函数中应尽量避免使用复杂的计算和循环，因为这些操作会消耗大量时间。如果必须使用计算或循环，请使用最优化的算法和数据结构。
- **减少对全局变量的访问：**访问全局变量需要从内存中读取数据，这会增加中断服务函数的执行时间。如果可能，请将局部变量用于中断服务函数中。
- **使用汇编代码：**汇编代码比 C 语言代码执行得更快，因此在时间关键型中断服务函数中使用汇编代码可以提高性能。
- **使用中断优先级：**中断优先级可以确保重要中断优先于非重要中断执行。通过为时间关键型中断分配更高的优先级，可以减少其等待执行的时间。

### 4.1.2 中断服务函数的代码优化

除了优化执行时间之外，还可以优化中断服务函数的代码以提高可读性和可维护性。以下是一些代码优化技巧：

- **使用清晰的命名约定：**使用清晰的命名约定可以使中断服务函数更易于理解和调试。例如，使用 ISR_USART1_RX 作为 USART1 接收中断服务函数的名称。
- **使用注释：**在中断服务函数中添加注释可以解释代码的用途和功能。这有助于其他开发人员理解和维护代码。
- **使用错误处理机制：**中断服务函数应包含错误处理机制以处理意外情况。这有助于防止系统崩溃或数据损坏。
- **使用断言：**断言可以帮助验证中断服务函数的正确性。如果断言失败，则表明代码中存在错误，应立即修复。

# 5. STM32中断调试

### 5.1 中断调试工具和方法

中断调试是STM32单片机开发中的重要环节，可以帮助开发者快速定位和解决中断相关问题。常用的中断调试工具和方法包括：

- **单步调试和断点设置：**单步调试可以逐条执行代码，并查看寄存器和内存的变化情况。断点设置可以指定在特定代码行处暂停执行，方便开发者检查代码逻辑和数据状态。
- **寄存器和内存查看：**通过调试器可以查看STM32单片机的寄存器和内存内容，帮助开发者了解中断处理过程中的数据变化情况。
- **逻辑分析仪：**逻辑分析仪可以捕获和分析STM32单片机的信号，包括中断请求信号、中断向量地址和中断处理函数执行过程。通过逻辑分析仪可以直观地查看中断的触发和处理过程。

### 5.2 中断调试常见问题和解决方法

在中断调试过程中，可能会遇到一些常见问题，以下是常见的解决方法：

- **中断未触发的问题：**
- 检查中断源是否正确配置。
- 检查中断优先级是否设置正确。
- 检查中断使能位是否设置。
- 检查中断请求信号是否正常产生。
- **中断处理函数执行异常的问题：**
- 检查中断处理函数是否正确编写。
- 检查中断处理函数中是否有死循环或其他异常情况。
- 检查中断处理函数中是否有对共享资源的访问冲突。

# 6. STM32中断综合案例

本节将通过三个综合案例，进一步巩固和提升读者对STM32中断编程的理解和应用能力。

### 6.1 基于中断的LED闪烁程序

**目标：**编写一个基于中断的程序，让LED每隔1秒闪烁一次。

**实现步骤：**

1. 配置定时器2，使其每1秒产生一次中断。
2. 在中断服务函数中，切换LED的状态。

// 配置定时器2
TIM2->PSC = 8399; // 分频系数，1秒中断一次
TIM2->ARR = 9999; // 自动重装载值
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE; // 允许更新中断
TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 使能定时器

// 中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    // 切换LED状态
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
}

### 6.2 基于中断的按键检测程序

**目标：**编写一个基于中断的程序，检测按键按下并输出按键值。

**实现步骤：**

1. 配置外部中断，使其在按键按下时触发中断。
2. 在中断服务函数中，读取按键值并输出。

// 配置外部中断
EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0; // 使能外部中断线0
EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR0; // 使能上升沿触发
EXTI->FTSR |= EXTI_FTSR_TR0; // 使能下降沿触发

// 中断服务函数
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;

    // 读取按键值
    uint8_t key_value = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0);

    // 输出按键值
    printf("按键值：%d\n", key_value);
}

### 6.3 基于中断的UART通信程序

**目标：**编写一个基于中断的程序，通过UART接收和发送数据。

**实现步骤：**

1. 配置UART，使其在接收到数据时触发中断。
2. 在中断服务函数中，读取接收到的数据并发送数据。

// 配置UART
UART4->CR1 |= UART_CR1_RXNEIE; // 使能接收中断
UART4->CR1 |= UART_CR1_TE; // 使能发送器

// 中断服务函数
void USART4_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    UART4->SR &= ~UART_SR_RXNE;

    // 读取接收到的数据
    uint8_t data = UART4->DR;

    // 发送数据
    UART4->DR = data;
}