STM32单片机C语言中断与定时器：深入理解中断机制和定时器配置

# 1. STM32单片机简介

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的32位微控制器产品系列。它基于ARM Cortex-M内核，具有高性能、低功耗和丰富的外设资源等特点。STM32单片机广泛应用于工业控制、医疗器械、汽车电子、物联网等领域。

STM32单片机包含多种型号，根据内核、存储容量、外设资源等不同而划分。常用的STM32单片机型号包括STM32F1、STM32F4、STM32F7和STM32L4等。这些型号在性能、功耗和外设资源方面有所差异，可以满足不同的应用需求。

# 2. 中断机制**

**2.1 中断的概念和类型**

**2.1.1 外部中断**

外部中断是由外部信号触发的，例如按钮按下、传感器检测到事件或其他外部设备的请求。STM32单片机有16个外部中断引脚，可以连接到外部设备或传感器。

**2.1.2 内部中断**

内部中断是由单片机内部事件触发的，例如定时器溢出、数据传输完成或错误检测。STM32单片机有多种内部中断源，包括定时器中断、串口中断和DMA中断。

**2.2 中断处理流程**

**2.2.1 中断向量表**

当发生中断时，程序计数器（PC）将跳转到中断向量表。中断向量表是一个存储中断服务程序（ISR）地址的数组。每个中断源都有一个特定的向量表项。

**2.2.2 中断服务程序**

中断服务程序（ISR）是响应中断的代码段。当发生中断时，相应的ISR将被执行。ISR通常负责处理中断源、清除中断标志并执行必要的操作。

**2.3 中断优先级和嵌套**

STM32单片机支持中断优先级，允许某些中断比其他中断具有更高的优先级。当发生多个中断时，具有更高优先级的中断将被优先处理。STM32单片机还支持中断嵌套，允许一个ISR在执行过程中被另一个更高优先级的中断打断。

**代码块：**

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

  // 执行中断处理操作
  // ...
}

**逻辑分析：**

此代码块定义了外部中断0的中断服务程序。当外部中断0发生时，此ISR将被执行。ISR首先清除中断标志，然后执行必要的处理操作。

**参数说明：**

* `EXTI->PR |= EXTI_PR_PR0;`：清除外部中断0的中断标志。
* `// 执行中断处理操作`：执行中断处理操作，例如读取传感器数据或控制设备。

# 3. 定时器配置

**3.1 定时器的分类和特点**

STM32单片机内置多种定时器，可分为通用定时器和高级定时器。

**3.1.1 通用定时器**

通用定时器具有以下特点：

- 16位或32位计数器
- 多种工作模式，包括捕获、比较和PWM模式
- 可配置的分频器和预分频器
- 丰富的中断功能

**3.1.2 高级定时器**

高级定时器在通用定时器的基础上增加了以下功能：

- 16位或32位计数器
- 捕获/比较单元，支持输入捕获和输出比较
- 死区发生器，用于控制PWM波形的死区时间
- DMA支持，提高数据传输效率

**3.2 定时器模式和配置**

STM32单片机的定时器支持多种工作模式，包括：

**3.2.1 捕获模式**

捕获模式下，定时器捕获外部事件的发生时间。

**代码块：**

TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;
TIM_ICInit(TIM3, &TIM_ICInitStructure);

**逻辑分析：**

该代码配置TIM3的通道1为捕获模式，捕获上升沿事件，不分频，不滤波。

**3.2.2 比较模式**

比较模式下，定时器与一个比较值进行比较，当计数器值达到比较值时产生中断或输出脉冲。

**代码块：**

TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 500;
TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

**逻辑分析：**

该代码配置TIM3的通道1为PWM模式，输出高电平脉冲，脉冲宽度为500个时钟周期，极性为高电平。

**3.2.3 PWM模式**

PWM模式下，定时器根据比较值生成可变占空比的脉冲波形。

**代码块：**

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 1000;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseInitStructure);

**逻辑分析：**

该代码配置TIM3的基本定时器参数，周期为1000个时钟周期，分频系数为72，计数模式为向上计数。

# 4. 中断与定时器结合应用

### 4.1 中断与定时器协同工作

中断和定时器可以协同工作，实现更复杂的控制和定时功能。

#### 4.1.1 中断触发定时器

在中断服务程序中，可以通过设置定时器的控制寄存器来触发定时器。例如，在外部中断服务程序中，可以设置定时器的计数器寄存器为一个非零值，从而启动定时器。

void EXTI15_10_IRQHandler(void) {
  TIM2->CNT = 1000; // 设置定时器2的计数器为1000
  TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器2
}

#### 4.1.2 定时器触发中断

定时器也可以触发中断。当定时器计数器达到预设值时，会产生一个中断请求。例如，可以将定时器的比较寄存器设置为一个值，当计数器达到该值时，会产生一个中断。

void TIM2_IRQHandler(void) {
  if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) {
    // 定时器2更新中断
    TIM2->SR &= ~TIM_SR_UIF; // 清除中断标志位
    // 执行中断处理代码
  }
}

### 4.2 定时器中断应用实例

#### 4.2.1 定时器产生PWM波形

通过配置定时器的比较模式，可以产生PWM波形。PWM波形广泛应用于电机控制、LED调光等领域。

void TIM3_PWM_Init(void) {
  // 设置定时器3为PWM模式
  TIM3->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1PE; // 启用输出比较1
  TIM3->CCMR1 |= TIM_CCMR1_OC1M_1 | TIM_CCMR1_OC1M_2; // 设置输出比较1模式为PWM模式1
  // 设置定时器3的周期和占空比
  TIM3->ARR = 1000; // 设置定时器3的周期为1000
  TIM3->CCR1 = 500; // 设置定时器3的输出比较1的占空比为50%
  // 启动定时器3
  TIM3->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器3
}

#### 4.2.2 定时器实现延时和定时

通过配置定时器的捕获模式，可以实现延时和定时功能。

void TIM4_Delay_Init(void) {
  // 设置定时器4为捕获模式
  TIM4->CCMR1 |= TIM_CCMR1_CC1S_0; // 设置输入捕获1源为内部触发事件
  // 设置定时器4的计数器和预分频器
  TIM4->ARR = 1000; // 设置定时器4的周期为1000
  TIM4->PSC = 72; // 设置定时器4的预分频器为72
  // 启动定时器4
  TIM4->CR1 |= TIM_CR1_CEN; // 启动定时器4
}

uint32_t TIM4_Delay(uint32_t delay_ms) {
  // 设置定时器4的计数器为0
  TIM4->CNT = 0;
  // 等待定时器4的计数器达到预设值
  while (TIM4->CNT < delay_ms);
  // 返回定时器4的计数器值
  return TIM4->CNT;
}

# 5. 高级定时器应用

### 5.1 高级定时器的特点和优势

高级定时器（TIM1、TIM8）是STM32单片机中功能更强大的定时器，相较于通用定时器，高级定时器具有以下特点和优势：

- **更高的频率：**高级定时器支持更高的时钟频率，最高可达168MHz，而通用定时器的时钟频率最高为72MHz。
- **更多的通道：**高级定时器拥有更多的通道，通常为4个或6个，而通用定时器只有1个或2个通道。
- **更丰富的功能：**高级定时器集成了更多的功能，包括捕获/比较单元、输入捕获、输出比较、死区控制等。

### 5.2 高级定时器高级功能

#### 5.2.1 捕获/比较单元

捕获/比较单元（CCR）是高级定时器的一个重要功能，它可以执行以下操作：

- **输入捕获：**捕获外部信号的脉冲宽度或周期。
- **输出比较：**根据比较值生成PWM波形或触发外部事件。

#### 5.2.2 输入捕获

输入捕获功能允许高级定时器捕获外部信号的脉冲宽度或周期。当外部信号的电平发生变化时，定时器会记录当前计数器值。通过比较捕获值和定时器的当前计数器值，可以计算出外部信号的脉冲宽度或周期。

#### 5.2.3 输出比较

输出比较功能允许高级定时器根据比较值生成PWM波形或触发外部事件。当定时器的计数器值等于比较值时，定时器会输出一个脉冲。通过设置不同的比较值，可以生成不同频率和占空比的PWM波形。

### 5.3 高级定时器应用实例

#### 5.3.1 测量脉冲宽度

高级定时器可以用来测量外部信号的脉冲宽度。通过使用输入捕获功能，定时器可以捕获脉冲的上升沿和下降沿，并计算出脉冲的宽度。

// 测量脉冲宽度
void measure_pulse_width(void) {
    // 初始化高级定时器
    // ...

    // 设置输入捕获通道
    // ...

    // 启动定时器
    // ...

    // 等待脉冲捕获
    // ...

    // 计算脉冲宽度
    uint32_t pulse_width = CCR1 - CCR0;
}

#### 5.3.2 产生复杂波形

高级定时器可以用来产生复杂的波形，例如三角波、正弦波等。通过使用输出比较功能，定时器可以根据不同的比较值生成不同的波形。

// 产生三角波
void generate_triangle_wave(void) {
    // 初始化高级定时器
    // ...

    // 设置输出比较通道
    // ...

    // 启动定时器
    // ...

    // 循环生成三角波
    while (1) {
        // 更新比较值
        // ...

        // 等待下一个比较事件
        // ...
    }
}

# 6. STM32单片机中断与定时器常见问题及解决方法**

在使用STM32单片机进行中断和定时器配置时，可能会遇到一些常见问题。以下是一些常见问题及其解决方法：

- **问题：中断无法触发**
- **解决方法：**
- 检查中断源是否已使能。
- 确保中断优先级设置正确。
- 检查中断向量表是否已正确配置。
- 检查中断服务程序是否已正确编写。

- **问题：定时器计数不正确**
- **解决方法：**
- 检查时钟源是否已正确配置。
- 检查定时器预分频器是否已正确设置。
- 检查定时器重装载值是否已正确设置。
- 检查定时器模式是否已正确配置。

- **问题：定时器中断无法触发**
- **解决方法：**
- 检查定时器中断是否已使能。
- 检查定时器中断优先级是否已正确设置。
- 检查定时器中断服务程序是否已正确编写。
- 检查定时器中断标志位是否已正确设置。

- **问题：定时器无法产生PWM波形**
- **解决方法：**
- 检查定时器PWM模式是否已正确配置。
- 检查定时器PWM占空比是否已正确设置。
- 检查定时器PWM频率是否已正确设置。
- 检查定时器PWM输出引脚是否已正确配置。

- **问题：定时器无法实现延时和定时**
- **解决方法：**
- 检查定时器模式是否已正确配置为定时器模式。
- 检查定时器重装载值是否已正确设置。
- 检查定时器中断是否已使能。
- 检查定时器中断服务程序是否已正确编写。