STM32定时器中断回调函数实战演练


# 摘要
本文全面介绍了STM32定时器中断的基础知识和编程实践。首先阐述了中断系统的工作原理，包括中断优先级、中断向量和异常处理。随后详细讨论了定时器中断回调函数的实现，重点在于回调机制、实现步骤和参数传递。文章还探讨了中断回调函数中变量作用域的问题。在应用层面，本文分析了定时器中断在定时任务、事件驱动和信号处理中的实际应用案例。此外，文章对定时器中断回调函数的性能优化给出了具体策略，如中断服务程序的编写要点和定时器精度调优方法。最后，探讨了多定时器协同工作模式、与其它硬件功能集成的高级主题，以及在实际项目中的中断策略规划。

# 关键字
STM32；定时器中断；中断回调函数；中断优先级；性能优化；事件驱动

参考资源链接：[深入探索STM32CubeMX中定时器中断回调函数](https://wenku.csdn.net/doc/5gizhynifc?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32定时器中断基础知识

STM32微控制器家族广泛应用于各种嵌入式系统中，其中一个核心功能就是定时器中断。定时器中断是一种基于时间的中断机制，它允许设备在设定的时间间隔内触发特定的事件或任务。理解STM32定时器中断的基础知识对于开发实时、精确的嵌入式应用程序至关重要。

## 1.1 定时器中断概念

定时器中断是由硬件定时器模块产生的，当计数器达到预设值时触发。与软件中断不同，定时器中断是一种周期性事件。它能够在确定的时间间隔内定期执行代码，这在实时任务中非常有用，例如周期性的数据采集或任务调度。

// 示例代码：STM32定时器初始化
TIM_HandleTypeDef htim;
__HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();  // 使能定时器3时钟

htim.Instance = TIM3;
htim.Init.Prescaler = (uint32_t)(SystemCoreClock / 10000U) - 1;  // 设置预分频器值
htim.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;  // 向上计数模式
htim.Init.Period = 10000 - 1;  // 自动重装载值
htim.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;  // 时钟分频因子
HAL_TIM_Base_Init(&htim);  // 初始化定时器基本功能

HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim);  // 启动定时器中断

## 1.2 中断与轮询的区别

轮询是一种不断检查条件是否满足来执行任务的方法，这会导致CPU资源的浪费。与轮询相比，中断是一种更高效的方法，它允许CPU在没有中断任务时执行其他操作，当定时器达到设定值时才会响应中断，执行相应的处理程序。这种机制大大提高了处理器的效率，尤其是在处理周期性任务时。

## 1.3 定时器中断的典型应用

定时器中断在嵌入式系统中有着广泛的应用，包括但不限于：
- **时间管理：** 实现时间的准确跟踪。
- **任务调度：** 定时执行特定任务，如检查传感器数据。
- **PWM控制：** 控制电机速度或LED亮度。

// 示例代码：定时器中断回调函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (htim->Instance == TIM3) {
        // 在这里添加中断后执行的代码
    }
}

在这一章中，我们已经为后续深入探讨STM32定时器中断奠定了基础，接下来将深入探讨中断回调函数的编程方法。

# 2. STM32中断回调函数编程

## 2.1 中断系统的工作原理

在微控制器中，中断系统是响应外部或内部事件的一种机制，它允许处理器暂时搁置当前任务，转而处理更紧急或重要的事件。中断系统由中断源、中断控制器和中断服务程序组成。当中断源发出中断请求信号时，中断控制器评估中断优先级，决定是否将控制权交由对应的中断服务程序。

### 2.1.1 中断优先级与抢占

中断优先级决定了中断被响应的顺序。通常，具有较高优先级的中断能够打断较低优先级的中断处理过程。此外，抢占式中断是指能够中断正在执行的中断服务程序，以处理更高优先级的中断。实现这一机制需要配置中断优先级寄存器，确保优先级管理的正确性。

### 2.1.2 中断向量与异常处理

中断向量是中断服务程序的入口地址，处理器根据中断向量表中存储的地址跳转到对应的处理程序。异常处理是中断的一个特殊类别，它涵盖了处理器在执行指令时发生的非预期事件，如除零错误或非法指令。

## 2.2 定时器中断回调函数的实现

### 2.2.1 定时器中断回调机制

STM32的定时器中断回调机制允许用户在定时器事件发生时执行特定的代码段。这通常涉及到在NVIC中配置中断优先级，并在中断向量表中指定定时器中断处理函数。

### 2.2.2 实现定时器中断回调函数的基本步骤

实现定时器中断回调函数主要涉及以下几个步骤：

1. 初始化定时器，设置合适的预分频器和自动重载值以产生所需的定时周期。
2. 配置中断优先级，并在NVIC中使能定时器中断。
3. 实现中断服务函数，确保其中调用了回调函数。

以下是一个简单的代码示例：

#include "stm32f10x.h"

void TIM_Config(void) {
  // ...省略其他初始化代码...
  TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE); // 使能定时器2的更新中断
  NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn; // 定时器2中断
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 抢占优先级0
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1; // 响应优先级1
  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

// 定时器2中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void) {
  if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
    TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); // 清除中断标志位
    Timer2_ISR_Handler(); // 调用回调函数
  }
}

// 定时器中断回调函数
void Timer2_ISR_Handler(void) {
  // 用户自定义的处理代码
}

### 2.2.3 中断回调函数的参数传递

在多任务或复杂应用中，可能需要将参数传递给中断回调函数。在STM32中，传递参数可以通过全局变量实现，但更好的方法是使用函数指针，将数据作为参数传递给该函数。

// 定时器回调函数原型
typedef void (*TIMER_CALLBACK)(void* arg);

// 在定时器中断服务函数中调用的回调函数
void Timer2_ISR_Handler(TIMER_CALLBACK cb, void* arg) {
  if (cb != NULL) {
    cb(arg); // 调用回调函数并传递参数
  }
}

// 定时器初始化函数
void TIM_Config(TIMER_CALLBACK cb, void* arg) {
  // ...省略其他初始化代码...
  TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE); // 使能定时器2的更新中断
  // 设置回调函数和参数
  Timer2Cb = cb;
  Timer2CbArg = arg;
}

// 在某个地方初始化定时器并设置回调
void SomeFunction() {
  // ... 初始化代码...
  TIM_Config(&MyCustomCallback, myDataStruct);
}

## 2.3 中断回调函数中的变量作用域

### 2.3.1 全局变量与局部变量的区别

在中断回调函数中，全局变量可以被所有函数访问，而局部变量只能在定义它的函数内部访问。使用局部变量可以减少全局变量的使用，避免潜在的冲突。然而，在中断服务函数中，局部变量的使用需要特别注意，因为中断服务函数的执行是可抢占的，局部变量的存储可能在中断嵌套中被覆盖。

### 2.3.2 作用域相关的常见问题及解决方案

当多个中断回调函数或中断服务程序需要共享数据时，使用全局变量是一种简单的方法，但要确保适当的同步措施，比如使用互斥量（Mutex）或临界区（Critical Section），以防止数据竞争和不一致的情况。

例如：

#define MAX_COUNTER 10

volatile uint32_t shared_counter = 0;

void Timer2_ISR_Handler(void) {
  if (shared_counter < MAX_COUNTER) {