STM32中断系统

1.1 中断的概念

​ 中断指在程序正常执行过程中，因某个特定事件发生，使CPU暂停当前任务，转去执行专门的服务程序，执行完毕恢复断点处的程序执行，有点像给程序打了一个断点调试。

​ 中断源就是引发中断的“原因”或“事件”。

• 可能来自 外部硬件（例如定时器溢出、串口接收到数据、按键触发、外部引脚电平变化等）。
• 也可能来自 内部异常/软件请求（例如除零错误、软件触发的中断指令），内部的中断有时候也叫异常。

​ 断点指当中断发生时，CPU会自动保存当前正在执行的指令地址（也就是下一条要执行的位置），这个保存下来的位置就是所谓的“断点”。这样，当中断处理完毕后，CPU才能“回到刚才被打断的地方继续执行”。

​ 中断服务程序（ISR）：执行一段专门的代码去处理事件，这段程序就叫中断服务程序

​ 正在执行中断程序的时候，这个时候有可能被另外一个中断源给中断，CPU转而去执行另外一个中断源的中断处理程序，这叫中断嵌套。

​ 中断B能否打断中断A，要看他们的优先级，优先级高的可以打断优先级低的，优先级低的无法打断优先级高的。

1.2 为什么需要中断

​ 比如我们要检测按键是否按下，如果没有中断，则需要循环的方式不断的去检测按键对应的IO口的电平，这是比较耗费CPU的时间的。如果要检测的更多的话，CPU有可能会导致阻塞。

1. 节省cpu资源

​ 使用中断后，CPU只在事件发生时才被打断处理，平时不用关心。

2. 避免阻塞

   如果系统要同时检测多个外设（按键、串口、定时器、传感器），用轮询会占满CPU时间，主程序可能没机会执行其它任务。中断方式下，主程序专心做自己的事，外设自己触发中断来通知CPU

3. 提高实时性

   有些事件（比如串口接收数据、定时器溢出）需要及时处理，否则可能丢数据。中断保证CPU能快速响应这些关键事件，而不是“等轮询到的时候才处理”

没有中断，单片机像一个人“盯着手机等通知”；
有了中断，单片机就像“有人按门铃才去开门”，效率高很多。

1.3 STM32的中断

​ Cortex-M3内核支持256个中断，其中包含了16个内核中断和240个外部中断，并且具有256级的可编程中断设置。一般情况下，芯片厂商会对Cortex-M3的中断进行裁剪。

​ STM32有84个中断，包括16个内核中断和68个可屏蔽中断，具有16级可编程的中断优先级。

​ STM32F103系列70个中断有10个内核中断和60个可编程的外部中断。

​ 下面的列表中，灰色背景的是内部中断（或者异常），其他的为外部中断。

1.4 STM32的中断体系架构

1.4.1 NVIC

​ NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中断控制器）是 ARM Cortex-M 内核里一个非常核心的模块。它的主要作用就是——帮CPU管理所有中断。

​ 作用：

1. 统一管理中断源

• Cortex-M 系列单片机里，中断源很多（外设中断、系统异常、硬Fault等）。
• NVIC 就像“中断的大管家”，负责接收这些中断请求，决定哪个能打断CPU。

2. 中断优先级管理

• 每个中断都可以分配一个优先级。

• NVIC根据优先级决定：

  • 谁可以先执行（高优先级先执行）。
  • 是否允许“嵌套”（在执行某个中断时，能否被更高优先级的中断再次打断）。

3. 向量表管理

• 每个中断有一个“入口地址”，即 ISR 的起始位置。
• NVIC 根据中断号自动找到向量表里的入口地址，跳转到对应中断服务程序。

4. 屏蔽/使能中断

• 通过 NVIC 的寄存器，软件可以随时开启或关闭某个中断。
• 比如临时不想处理某个外设的中断，可以直接在 NVIC 里屏蔽。

在 Cortex-M 系列内核里，NVIC 统一管理三类“中断/异常”来源：

1.4.2 AFIO

​ GPIOA-G分别有16个引脚，16条线，AFIO将GPIOA-G端口的相同编号引脚组合成一根线接到EXTI，比如A0/B0/C0...接到EXTI0。

​ 一条 EXTI 线一次只能选择一个端口，不能同时由 PA0 和 PB0 触发。写程序时，需要在程序里通过 AFIO 寄存器配置，告诉 EXTI 哪个 GPIO 引脚来触发中断，否则 EXTI 不知道要监听哪一条线。例如：EXTI0 默认接 PA0，如果写入 AFIO_EXTICR1 指定 PB0，就改为由 PB0 触发。

AFIO 模块主要干三件事：

• 把 GPIO 引脚接到 EXTI 线（外部中断配置）。
• 把 外设功能映射到不同引脚（重映射）。
• 把 调试端口的管脚释放出来（JTAG/SWD 配置）。

1. 外部中断 (EXTI) 配置

• 作用：决定某个 EXTI 线由哪个 GPIO 引脚来触发。
• 实现：通过 AFIO_EXTICR[1..4] 寄存器配置。

• 特点：

  • 每条 EXTI 线（EXTI0~EXTI15）只能对应到某个端口的相同编号引脚。
  • 比如：EXTI0 可以选择 PA0 / PB0 / PC0 / …，但一次只能选一个。

2. 复用功能重映射 (Peripheral Remap)

• 作用：允许改变某些外设的管脚分布，避免引脚冲突或优化 PCB 布局。
• 实现：通过 AFIO_MAPR、AFIO_MAPR2 寄存器配置。

• 例子：

  • USART1 默认 TX/RX = PA9 / PA10
  • 重映射后 TX/RX = PB6 / PB7
  • TIM2 通道可以映射到不同的 IO。

3. 调试端口配置 (JTAG/SWD Remap)

• 作用：释放调试接口占用的引脚，让它们当普通 GPIO 使用。
• 实现：在 AFIO_MAPR 中配置 SWJ_CFG 位。

• 选项：

  • 全功能 JTAG-DP + SW-DP（默认，占用 5 根管脚）。
  • 仅 SW-DP（占用 2 根管脚，释放 PB3、PB4、PA15）。
  • 完全关闭 JTAG/SWD（释放所有调试引脚，但调试功能不可用）。

1.4.3 EXTI

AFIO = 信号路由器：负责把 GPIO 引脚“接”到某条 EXTI 线。

EXTI = 中断检测器：负责检测这条 EXTI 线上有没有触发条件，并产生中断请求。它只知道有中断线 EXTI0 ~ EXTI15，但是不知道这些线接在哪个 GPIO 引脚上。

EXTI根据配置的触发方式（上升沿/下降沿/双沿），判断是否触发中断/事件;

AFIO：决定“谁来汇报”

EXTI：决定“什么时候汇报”

NVIC：决定“怎么打断皇帝（CPU）去处理”

1.4.4 NVIC中断优先级

​ NVIC为了方便管理中断，可以通过软件给每个中断设置优先级。NVIC用4个位来控制优先级，值小的优先级高。把优先级分为两种：抢占优先级和响应优先级。

规则：

1. 优先级值越小，优先级越高。
2. 如果不设置优先级，则默认优先级为0。
3. 先比较抢占优先级。抢占优先级高的可以打断抢占优先级低的。
4. 若抢占优先级一样，再比较响应优先级。但是响应优先级不会导致中断嵌套。
5. 若抢占优先级一样的同时挂起，则优先处理响应抢占优先级高的。
6. 若挂起的优先级（抢占和响应）都一样，则查找中断向量表，值小的先响应。

​ NVIC对优先级分了5组，在程序中先对中断进行分组，而且分组只能分一次，若多次分，只有最后一次生效。下图[7:4]意思是7-4位：

NVIC 中通过 SCB->AIRCR 寄存器 的 PRIGROUP 位来配置中断优先级的划分方式。

PRIGROUP 决定 抢占优先级（Group Priority） 和 响应优先级（Subpriority） 的位数分配。

中断 A 抢占优先级比 B 高时，A 可以打断 B。

1.4.5 外部中断控制器EXTI

如下图，注意请求挂起寄存器被自动置1后，中断执行完手动置0

整体流程

1.5 配置片外中断步骤

1.5.1 使能 GPIO 时钟

首先需要使能对应 GPIO 端口的时钟：

// 例如使能 GPIOA 时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;

1.5.2 配置 GPIO 为输入模式

// 以 PA0 为例，配置为上拉输入
GPIOA->CRL &= ~(0xF << (0*4));  // 清除 PA0 的配置
GPIOA->CRL |= (0x8 << (0*4));   // 配置为上拉/下拉输入模式
GPIOA->ODR |= (1 << 0);         // 上拉

1.5.3. 配置 AFIO 时钟和 EXTI 线路

// 使能 AFIO 时钟
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_AFIOEN;

// 将 GPIO 引脚连接到 EXTI 线
// 例如 PA0 连接到 EXTI0
AFIO->EXTICR[0] &= ~AFIO_EXTICR1_EXTI0;  // 清除原有设置
AFIO->EXTICR[0] |= AFIO_EXTICR1_EXTI0_PA; // PA0 连接到 EXTI0

1.5.4. 配置 EXTI 触发方式

// 配置触发方式（上升沿、下降沿或双边沿）
EXTI->RTSR |= EXTI_RTSR_TR0;   // 使能 EXTI0 上升沿触发
EXTI->FTSR |= EXTI_FTSR_TR0;   // 使能 EXTI0 下降沿触发
// 如果只需要一种触发方式，只需设置其中一个

1.5.5. 使能 EXTI 中断

EXTI->IMR |= EXTI_IMR_MR0;     // 不屏蔽 EXTI0 中断

1.5.6. 配置 NVIC

// 设置优先级
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0);  // 设置优先级为0（最高）

// 使能中断
NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);       // 使能 EXTI0 中断

1.5.7. 编写中断服务函数

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if (EXTI->PR & EXTI_PR_PR0)  // 检查是否是 EXTI0 中断
    {
        // 处理中断
        
        EXTI->PR = EXTI_PR_PR0;  // 清除中断标志
    }
}