STM32单片机中断机制：深入剖析，轻松处理中断

# 1. STM32中断机制概述

STM32单片机中断机制是一种强大的功能，允许外部事件或内部事件触发处理器执行特定的代码。中断机制在实时系统和嵌入式系统中至关重要，因为它允许处理器快速响应外部事件，而不会中断正在执行的任务。

STM32中断机制由一个中断向量表和一个中断控制器组成。中断向量表是一个存储在固定地址处的函数指针数组，每个函数指针对应一个特定的中断源。当发生中断时，中断控制器会将处理器程序计数器（PC）指向中断向量表中相应的中断服务函数（ISR）。

ISR是一个专门用于处理特定中断源的函数。ISR通常会执行以下任务：
- 保存当前程序上下文
- 读取中断状态寄存器以确定中断源
- 执行中断处理代码
- 清除中断标志位
- 恢复程序上下文

# 2. STM32中断编程技巧

### 2.1 中断向量表和中断优先级

**中断向量表**

中断向量表是存储中断服务函数地址的特殊内存区域。当发生中断时，处理器会自动跳转到中断向量表中相应的中断服务函数地址处执行中断处理程序。

**中断优先级**

STM32中断控制器支持多级中断优先级，允许为每个中断源分配一个优先级。优先级较高的中断将在优先级较低的中断之前得到处理。

**中断优先级配置**

中断优先级可以通过NVIC（嵌套矢量中断控制器）寄存器进行配置。每个中断源都有一个对应的NVIC寄存器，用于设置其优先级。优先级值范围为0-255，其中0为最高优先级。

// 设置外部中断0的优先级为10
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 10);

### 2.2 中断服务函数和寄存器配置

**中断服务函数**

中断服务函数是响应特定中断事件的函数。它负责处理中断源并执行必要的操作。中断服务函数的函数原型如下：

void <中断服务函数名>(void)

**寄存器配置**

在中断服务函数中，通常需要对相关的寄存器进行配置以处理中断。例如：

* 清除中断标志位
* 设置中断使能位
* 配置中断源的触发方式

// 清除外部中断0的中断标志位
EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;

// 设置外部中断0的中断使能位
EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0;

// 设置外部中断0的触发方式为上升沿触发
EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR0;

### 2.3 中断嵌套和优先级抢占

**中断嵌套**

中断嵌套是指在处理一个中断时又发生了另一个中断。STM32中断控制器支持中断嵌套，允许高优先级中断打断低优先级中断的处理。

**优先级抢占**

优先级抢占是指当一个高优先级中断发生时，当前正在执行的低优先级中断会被中断并转到高优先级中断的处理程序。STM32中断控制器支持优先级抢占，确保高优先级中断得到及时处理。

**配置中断嵌套和优先级抢占**

中断嵌套和优先级抢占可以通过NVIC寄存器进行配置。NVIC_ISER寄存器用于使能中断嵌套，NVIC_IP寄存器用于设置中断优先级抢占。

// 使能中断嵌套
NVIC_ISER |= NVIC_ISER_ISER0;

// 设置中断优先级抢占
NVIC_IP |= NVIC_IP_PRI0;

# 3.1 外部中断的配置和处理

**外部中断简介**

外部中断是 STM32 单片机通过外部引脚接收外部事件并触发中断的一种机制。它允许单片机在检测到外部事件时做出快速响应，例如按钮按下、传感器触发或通信信号接收。

**外部中断配置**

STM32 单片机支持多个外部中断引脚，每个引脚都可以配置为不同的中断源。外部中断配置主要涉及以下步骤：

- **选择中断源：**确定触发中断的外部事件，并将其连接到相应的外部中断引脚。
- **配置中断模式：**设置中断触发模式，例如上升沿、下降沿、电平敏感或边沿敏感。
- **设置中断优先级：**为外部中断分配优先级，以确定在多个中断同时发生时中断处理的顺序。
- **使能中断：**在NVIC（嵌套向量中断控制器）中使能外部中断，允许中断触发中断服务函数。

**外部中断处理**

当外部中断触发时，单片机将执行以下步骤：

- **中断向量跳转：**单片机跳转到外部中断向量表中的中断服务函数地址。
- **中断服务函数执行：**中断服务函数执行用户定义的代码，处理外部中断事件。
- **中断返回：**中断服务函数执行完成后，单片机返回到中断发生前的代码位置。

**代码示例：**

// 配置外部中断引脚 PA0 为上升沿触发模式
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
GPIOA->CRL &= ~(GPIO_CRL_CNF0 | GPIO_CRL_MODE0);
GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_CNF0_1 | GPIO_CRL_MODE0_0;
GPIOA->ODR |= GPIO_ODR_ODR0;

// 使能外部中断线 0
EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0;

// 设置外部中断线 0 为上升沿触发
EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR0;

// 使能外部中断 0 中断
NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

// 外部中断 0 服务函数
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;

    // 处理外部中断事件
    // ...
}

**逻辑分析：**

- 第 2-6 行：配置 PA0 引脚为输入模式，并设置上升沿触发模式。
- 第 8 行：使能外部中断线 0。
- 第 9 行：设置外部中断线 0 为上升沿触发。
- 第 11 行：使能外部中断 0 中断。
- 第 14-22 行：外部中断 0 服务函数，用于处理外部中断事件。

### 3.2 定时器中断的配置和处理

**定时器中断简介**

定时器中断是 STM32 单片机通过定时器外设生成定期中断的一种机制。它允许单片机在指定的时间间隔后触发中断，从而实现周期性任务或事件的处理。

**定时器中断配置**

STM32 单片机支持多个定时器，每个定时器都可以配置为不同的中断源。定时器中断配置主要涉及以下步骤：

- **选择定时器：**确定用于生成中断的定时器。
- **设置定时器模式：**配置定时器模式，例如向上计数、向下计数或捕获模式。
- **设置定时器时钟源：**选择定时器的时钟源，例如内部时钟、外部时钟或 PLL 输出。
- **设置定时器中断周期：**设置定时器的重载值，以确定中断触发的频率。
- **使能定时器中断：**在 NVIC 中使能定时器中断，允许中断触发中断服务函数。

**定时器中断处理**

当定时器中断触发时，单片机将执行以下步骤：

- **中断向量跳转：**单片机跳转到定时器中断向量表中的中断服务函数地址。
- **中断服务函数执行：**中断服务函数执行用户定义的代码，处理定时器中断事件。
- **中断返回：**中断服务函数执行完成后，单片机返回到中断发生前的代码位置。

**代码示例：**

// 配置定时器 2 为向上计数模式，时钟源为内部时钟，中断周期为 1 秒
RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
TIM2->CR1 &= ~TIM_CR1_DIR;
TIM2->PSC = 8399; // 84MHz / 8400 = 10KHz
TIM2->ARR = 10000; // 10KHz / 10000 = 1Hz

// 使能定时器 2 中断
TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE;

// 使能定时器 2 中断
NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

// 定时器 2 中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF;

    // 处理定时器中断事件
    // ...
}

**逻辑分析：**

- 第 2-6 行：配置定时器 2 为向上计数模式，时钟源为内部时钟，中断周期为 1 秒。
- 第 8 行：使能定时器 2 中断。
- 第 10 行：使能定时器 2 中断。
- 第 13-21 行：定时器 2 中断服务函数，用于处理定时器中断事件。

### 3.3 通信中断的配置和处理

**通信中断简介**

通信中断是 STM32 单片机通过通信外设（例如 UART、SPI、I2C）接收或发送数据时触发中断的一种机制。它允许单片机在数据传输完成或出现错误时做出快速响应。

**通信中断配置**

STM32 单片机支持多种通信外设，每个外设都可以配置为不同的中断源。通信中断配置主要涉及以下步骤：

- **选择通信外设：**确定用于通信的通信外设。
- **设置通信模式：**配置通信外设的模式，例如串行通信、并行通信或 I2C 通信。
- **设置通信参数：**设置通信参数，例如波特率、数据位宽和奇偶校验。
- **使能通信中断：**在 NVIC 中使能通信中断，允许中断触发中断服务函数。

**通信中断处理**

当通信中断触发时，单片机将执行以下步骤：

- **中断向量跳转：**单片机跳转到通信中断向量表中的中断服务函数地址。
- **中断服务函数执行：**中断服务函数执行用户定义的代码，处理通信中断事件。
- **中断返回：**中断服务函数执行完成后，单片机返回到中断发生前的代码位置。

**代码示例：**

// 配置 UART1 为 9600 波特率、8 位数据位、无奇偶校验
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_USART1EN;
USART1->BRR = 0x683; // 84MHz / 9600 = 8750, 8750 / 16 = 546.875, 546.875 / 16 = 34.1796875
USART1->CR1 |= USART_CR1_TE | USART_CR1_RE;

// 使能 UART1 中断
USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE;

// 使能 UART1 中断
NVIC_EnableIRQ(USART1_IRQn);

// UART1 中断服务函数
void USART1_IRQHandler(void)
{
    // 清除中断标志位
    USART1->SR &= ~USART_SR_RXNE;

    // 处理 UART1 中断事件
    // ...
}

**逻辑分析：**

- 第 2-6 行：配置 UART1 为 9600 波特率、8 位数据位、无奇偶校验。
- 第 8 行：使能 UART1 中断。
- 第 10 行：使能 UART1 中断。
- 第 13-21 行：UART1 中断服务函数，用于处理 UART1 中断事件。

# 4. STM32中断进阶应用

### 4.1 中断驱动的设备驱动程序

**简介**

中断驱动的设备驱动程序是一种利用中断机制来处理设备输入/输出操作的软件模块。它通过中断服务函数 (ISR) 来响应设备产生的中断，从而及时处理设备事件并与之交互。

**优点**

* **实时性高：**ISR 可以快速响应中断，及时处理设备事件，从而提高系统响应速度。
* **效率高：**ISR 仅在设备事件发生时执行，避免了不必要的轮询操作，提高了代码效率。
* **可扩展性强：**中断驱动的设备驱动程序易于扩展，可以轻松添加对新设备的支持。

**实现**

1. **配置中断向量表：**将设备中断向量指向相应的 ISR。
2. **编写 ISR：**在 ISR 中处理设备事件，包括读取/写入设备寄存器、设置/清除标志位等。
3. **配置设备寄存器：**设置设备中断使能位、中断优先级等寄存器，以控制中断行为。

**示例代码：**

// 中断向量表
void USART1_IRQHandler(void) {
  // 读取 USART1 状态寄存器
  uint32_t status = USART1->SR;

  // 检查是否为接收中断
  if (status & USART_SR_RXNE) {
    // 读取接收到的数据
    uint8_t data = USART1->DR;
    // 处理接收到的数据
  }
}

// 设备寄存器配置
void USART1_Init(void) {
  // 使能 USART1 中断
  USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE;
  // 设置 USART1 中断优先级
  NVIC_SetPriority(USART1_IRQn, 3);
}

### 4.2 中断驱动的实时操作系统

**简介**

中断驱动的实时操作系统 (RTOS) 是一种利用中断机制来管理系统任务和资源的软件平台。它通过中断服务程序 (ISR) 来响应中断，并调度任务执行，从而实现实时响应和资源管理。

**优点**

* **实时性高：**RTOS 可以快速响应中断，及时调度任务执行，满足实时系统的要求。
* **并发性好：**RTOS 可以同时管理多个任务，实现并行执行，提高系统效率。
* **可靠性高：**RTOS 提供了任务调度、资源管理等机制，提高了系统的稳定性和可靠性。

**实现**

1. **配置中断向量表：**将 RTOS 中断向量指向相应的 ISR。
2. **编写 ISR：**在 ISR 中处理中断事件，并通知 RTOS 调度器。
3. **创建任务：**在 RTOS 中创建任务，并指定任务优先级和执行函数。
4. **调度任务：**RTOS 调度器根据任务优先级和中断事件，调度任务执行。

**示例代码：**

// 中断向量表
void SysTick_Handler(void) {
  // 通知 RTOS 调度器
  xPortSysTickHandler();
}

// RTOS 任务
void task1(void *pvParameters) {
  while (1) {
    // 执行任务逻辑
  }
}

### 4.3 中断驱动的故障处理

**简介**

中断驱动的故障处理是一种利用中断机制来检测和处理系统故障的机制。它通过中断服务函数 (ISR) 来响应故障中断，并执行故障处理程序，从而提高系统的可靠性和稳定性。

**优点**

* **快速响应：**ISR 可以快速响应故障中断，及时执行故障处理程序，减少故障影响。
* **隔离故障：**故障处理程序可以将故障隔离到特定模块或任务，防止故障蔓延。
* **恢复系统：**故障处理程序可以尝试恢复系统，或者安全地关闭系统，避免进一步损坏。

**实现**

1. **配置故障中断向量：**将故障中断向量指向相应的 ISR。
2. **编写 ISR：**在 ISR 中检测故障类型，并执行故障处理程序。
3. **编写故障处理程序：**故障处理程序可以包括故障日志记录、故障隔离、系统恢复等操作。

**示例代码：**

// 中断向量表
void HardFault_Handler(void) {
  // 获取故障类型
  uint32_t fault_type = SCB->HFSR;

  // 执行故障处理程序
  fault_handler(fault_type);
}

// 故障处理程序
void fault_handler(uint32_t fault_type) {
  // 记录故障日志
  // 隔离故障
  // 尝试恢复系统
}

# 5.1 中断响应时间优化

中断响应时间是衡量中断机制性能的重要指标，它直接影响系统对外部事件的反应速度。优化中断响应时间可以提高系统的实时性。

### 优化措施

**1. 使用高优先级中断：**
将需要快速响应的中断设置为高优先级，确保它们在发生时能及时得到处理。

**2. 减少中断服务函数执行时间：**
中断服务函数应尽量精简，只执行必要的任务。避免在中断服务函数中进行耗时的操作，如复杂的计算或数据传输。

**3. 使用 DMA 传输：**
对于需要传输大量数据的中断，可以使用 DMA（直接存储器访问）机制，它可以将数据直接从外设传输到内存，而无需 CPU 参与，从而减少中断响应时间。

**4. 使用中断嵌套：**
中断嵌套允许高优先级中断打断低优先级中断的执行，确保高优先级中断能及时得到处理。

**5. 使用中断优先级抢占：**
中断优先级抢占允许高优先级中断打断低优先级中断的执行，即使低优先级中断正在执行。这可以确保高优先级中断得到最快的响应。

**6. 使用中断向量表优化：**
优化中断向量表可以减少中断处理的开销。将常用的中断向量放在向量表的前面，可以减少中断处理时的寻址时间。

**7. 使用中断控制器优化：**
一些 STM32 系列的单片机配备了中断控制器，可以对中断进行更精细的控制。通过配置中断控制器，可以优化中断响应时间。

**8. 使用中断预取：**
某些 STM32 系列的单片机支持中断预取，它可以提前预取中断服务函数的代码和数据，从而减少中断响应时间。