STM32 中断系统

1. 中断和异常的区别

1.1 中断是指系统停止当前正在运行的程序转而其他服务，可能是程序接收了比自身高优先级的请求，或者是人为设置中断，中断是属于正常现象。

1.2 异常是指由于cpu本身故障、程序故障或者请求服务等引起的错误，异常属于不正常现象。

Cortex-M3内核总共支持256个中断，其中包含16个内核异常和240个外部中断，但是各个芯片产商在设计芯片的时候会对CM3内核的芯片进行精简设计，如STM32F103系列，所搭载的异常响应系统，包含10个系统异常和60个外部中断，用一张表将它们管理起来，编号0~15位系统异常，16以上称为外部中断

系统异常清单：

 

外部中断清单：

 .................

 外部中断信号从核外发出，信号最终要传递到NVIC(嵌套向量中断控制器)。NVIC跟内核紧密耦合，它控制着整个芯片中断的相关功能。

2. 中断优先级

STM32支持两种优先级：抢占优先级和子优先级。所有优先级可编程的中断源都需要指定这两种优先级。

抢占优先级决定是否可以产生中断嵌套，子优先级决定中断响应顺序，若两种优先级一样则看中断源在中断向量表中的偏移量，偏移量小的先响应。

每个中断源都需要被指定抢占优先级和子优先级，自然需要相应的寄存器来记录。在NVIC中有一个专门处理中断优先级的寄存器NICV_IPRx，用于配置中断源的优先级。IPR的宽度为8Bit，对于CM3内核来说，因为它支持的中断源为256个，那么原则上每个外部中断源可配置的优先级位0~255，数值越小优先级越高。但是因为绝大多数CM3芯片都会精简设计，所以不会使用到全部位，在STM32F103中只使用4Bit。

 

注意，个别系统系统的优先级是固定的，所以它们的中断优先级是不可编程的。

2.1 CM3核的优先级分组方式
CM3中定义了8个Bit用于设置中断源的优先级，这8个Bit可以分配为：

(1)8bit用于响应优先级

(2)最高1位用于指定抢占优先级，最低7位用于执行子优先级

(3)最高2位用于指定抢占优先级，最低6位用于执行子优先级

(4)最高3位用于指定抢占优先级，最低5位用于执行子优先级

(5)最高4位用于指定抢占优先级，最低4位用于执行子优先级

(6)最高5位用于指定抢占优先级，最低3位用于执行子优先级

(7)最高6位用于指定抢占优先级，最低2位用于执行子优先级

(8)最高7位用于指定抢占优先级，最低1位用于执行子优先级

static __INLINE void NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup)
{
  uint32_t reg_value;
  uint32_t PriorityGroupTmp = (PriorityGroup & 0x07);                         /* only values 0..7 are used          */

  reg_value  =  SCB->AIRCR;                                                   /* read old register configuration    */
  reg_value &= ~(SCB_AIRCR_VECTKEY_Msk | SCB_AIRCR_PRIGROUP_Msk);             /* clear bits to change               */
  reg_value  =  (reg_value                       |
                (0x5FA << SCB_AIRCR_VECTKEY_Pos) | 
                (PriorityGroupTmp << 8));                                     /* Insert write key and priorty group */
  SCB->AIRCR =  reg_value;
}

　

该函数写在.h文件中，且声明为内联函数(__INLINE)，内联函数跟宏替换差不多，可以避免函数调用的压栈出栈等开销。PriorityGroup的取值为0~7。

　2.2 STM32的优先级分组方式
CM3核的优先级分组方式是针对256个中断全部用上的场合，但是Cortex-M3也允许在具有较少中断源时用较少的寄存器位指定中断源的优先级。STM32并没有使用Cortex-M3内核嵌套向量中断全套东西，而是使用了它的一部分：

3. NVIC操作相关函数

NVIC的描述结构体在core_cm3.h中：

typedef struct
{
  __IO uint32_t ISER[8];        /* 中断使能寄存器(Interrupt Set Enable Register)，Offset: 0x000 */
       uint32_t RESERVED0[24];                                   
  __IO uint32_t ICER[8];        /* 中断清除寄存器(Interrupt Clear Enable Register)，Offset: 0x080 */
       uint32_t RSERVED1[24];                                    
  __IO uint32_t ISPR[8];        /* 中断使能挂起寄存器(Interrupt Set Pending Register)，Offset: 0x100 */
       uint32_t RESERVED2[24];                                   
  __IO uint32_t ICPR[8];        /* 中断清除挂起寄存器(Interrupt Clear Pending Register)，Offset: 0x180 */
       uint32_t RESERVED3[24];                                   
  __IO uint32_t IABR[8];        /* 中断有效位寄存器(Interrupt Active bit Register )，Offset: 0x200 */
       uint32_t RESERVED4[56];                                   
  __IO uint8_t  IP[240];        /* 中断优先级寄存器(Interrupt Priority Register)，Offset: 0x300 (8Bit wide) */
       uint32_t RESERVED5[644];                                  
  __O  uint32_t STIR;           /* 软中断触发寄存器(Software Trigger Interrupt Register)，Offset: 0xE00 */
}  NVIC_Type;

　　编程中常用的是ISER、ICER和IP这三个寄存器。ISER和ICER分别用于enable、disable中断，IP用于控制中断优先级。
同在core_cm3.h中，定义了对结构体成员的操作函数，这是针对Cortex-M3内核芯片都适用的函数：

(1)设置优先级分组寄存器: NVIC_SetPriorityGrouping(uint32_t PriorityGroup)
(2)从NVIC中断控制器得到优先级分组设置值: NVIC_GetPriorityGrouping(void)
(3)使能中断: NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn) 
(4)失能中断: NVIC_DisableIRQ(IRQn_Type IRQn) 
(5)获取挂起中断编号: NVIC_GetPendingIRQ(IRQn_Type IRQn) 
(6)设置中断挂其位: NVIC_SetPendingIRQ(IRQn_Type IRQn) 
(7)清除中断挂起位: NVIC_ClearPendingIRQ(IRQn_Type IRQn) 
(8)NVIC_GetActive(IRQn_Type IRQn)
(9)设置中断源的中断优先级: NVIC_SetPriority(IRQn_Type IRQn, uint32_t priority) 
(10)获取中断源的中断优先级: NVIC_GetPriority(IRQn_Type IRQn) 
(11)编码一个中断的优先级，不知道干嘛: NVIC_EncodePriority (uint32_t PriorityGroup, uint32_t PreemptPriority, uint32_t SubPriority)
(12)解码一个中断的优先级，不知道干嘛: NVIC_DecodePriority (uint32_t Priority, uint32_t PriorityGroup, uint32_t* pPreemptPriority, uint32_t* pSubPriority) 
(13)系统复位: NVIC_SystemReset(void)

　　在外设库misc.h定义了针对STM32的NVIC的初始化描述结构体：

typedef struct
{
  uint8_t NVIC_IRQChannel;                    /* 中断源 */
  uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority;  /* 抢占优先级 */
  uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority;         /* 子优先级 */
  FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd;         /* 中断使能或者失能 */   
} NVIC_InitTypeDef;

　　misc.c也定义了针对STM32的NVIC的操作函数：

(1)设置优先级分组寄存器: NVIC_PriorityGroupConfig(uint32_t NVIC_PriorityGroup)
(2)初始化NVIC_InitTypeDef类的结构体: NVIC_Init(NVIC_InitTypeDef* NVIC_InitStruct)
(3)设置中断向量表位置和偏移: NVIC_SetVectorTable(uint32_t NVIC_VectTab, uint32_t Offset)
系统可以选择从SRAM启动，也可以选择从flash启动，对应的启动地址会映射到0地址处，而中断向量表是要被放在0地址处的，所以要将中      
断向量表放在SRAM/flash的起始位置。函数参数一的取值为NVIC_VectTab_RAM/NVIC_VectTab_FLASH，参数二的取值必须是0x200的整数倍(STM32就是这么规定的)。
(4)选择进入低功耗模式的条件: NVIC_SystemLPConfig(uint8_t LowPowerMode, FunctionalState NewState) 
参数一取值NVIC_LP_SEVONPEND/NVIC_LP_SLEEPDEEP/NVIC_LP_SLEEPONEXIT，参数二取值ENABLE/DISABLE

　　

4. EXTI–外部中断和事件控制器

EXTI有20个中断/事件线，每个GPIO都可以被设置为中断/事件的输入线，占用EXTI0~EXTI15，还有另外4根用于特定的外设事件的EXTI16~EXTI19：

 注意，EXTIx与GPIOx的对应关系，EXTI0只能和P[x]0绑定(x = A、B、C、D…)，

 实现绑定操作的函数声明位于标准库LibrariesSTM32F10x_StdPeriph_Driverincstm32f10x_gpio.h中：

GPIO_EXTILineConfig(uint8_t GPIO_PortSource, uint8_t GPIO_PinSource)
参数一GPIO_PortSource的取值为GPIO_PortSourceGPIOx (x = A..G)，
参数二GPIO_PinSource的取值为GPIO_PinSourcex(x = 0..15)

这个函数在一般初始化EXTI寄存器时候调用。因为外部中断是GPIO引脚的复用功能，所以同时要开启GPIO复用功能的时钟：

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE)

　　

5. EXTI描述结构体的初始化

EXTI描述结构体声明在标准外设库LibrariesSTM32F10x_StdPeriph_Driverincstm32f10x_exti.h中：

typedef struct
{
  uint32_t EXTI_Line;               /* 中断事件线 */
  EXTIMode_TypeDef EXTI_Mode;       /* EXTI模式，事件/中断 */
  EXTITrigger_TypeDef EXTI_Trigger; /* 触发类型 */
  FunctionalState EXTI_LineCmd;     /* EXTI使能 */ 
}EXTI_InitTypeDef;

　　与EXTI操作相关的函数有：

(1)去除EXTI_InitTypeDef结构体的初始化：EXTI_DeInit(void)
(2)初始化EXTI_InitTypeDef结构体： EXTI_Init(EXTI_InitTypeDef* EXTI_InitStruct) 
(3)默认初始化：EXTI_StructInit(EXTI_InitTypeDef* EXTI_InitStruct) 
(4)EXTI_GenerateSWInterrupt(uint32_t EXTI_Line) 产生一个软件中断
(5)获取产生中断的标志：EXTI_GetFlagStatus(uint32_t EXTI_Line) 
                   EXTI_GetITStatus(uint32_t EXTI_Line)
(6)清除中断产生标志：EXTI_ClearFlag(uint32_t EXTI_Line) 
                  EXTI_ClearITPendingBit(uint32_t EXTI_Line)

　　

获取/清除产生中断的标志的实现是一样的，但是为什么要分成两组函数？
也许这是STM32标准外设库设计者出自于为兼容性考虑吧。有的ARM芯片的中断体系分为两层，也就是说中断信号要抵达NVIC需要两层筛选，同理清除中断标志也需要清除两层。但是在CM3核的ARM只设计了一层，STM32为了兼容其他芯片，依旧还是将函数设计成两层，只不过这两层的实现体是一致的。