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【嵌入式系统开发12】在stm32F103C8T6环境下，用HAL库，采用中断模式编程，控制LED的高亮与熄灭

2023-05-16

本文目的是主要解释如何用stm32F103核心板的GPIOA端一管脚接一个LED，GPIOB端口一引脚接一个开关；并采用中断模式编程，当开关接高电平时，LED亮灯；接低电平时，LED灭灯。

文章目录

  • 前言
  • （一）中断技术详解
    • 1.什么是中断？
    • 2.中断源
    • 3.中断处理的基本过程
      • 3.1中断请求阶段
        • 3.1.1中断请求触发器
        • 3.1.2中断允许触发器
      • 3.2中断判优阶段
        • 3.2.1软件判优
        • 3.2.2硬件判优
      • 3.3中断响应阶段
      • 3.4中断服务阶段
      • 3.5中断返回阶段
      • 3.6中断过程总结
    • 4.中断优先级
  • （二）工程新建
    • 1.硬件准备
    • 2.中断工程新创
    • 3.外设设置
    • 3.GPIO设置
    • 4.配置中断优先级
    • 5.时钟设置
    • 6.工程生成
  • （三）“小试牛刀”——中断控LED亮灭
    • 1.代码编写
    • 2.代码编译
    • 3.烧录实现
  • （四）总结
  • （五）参考文献

前言

※ 中断即打断，实至CPU再执行当前程序时，由于系统出现了某种需要处理的紧急情况，CPU暂停正在执行的程序，转而去执行另一段特殊程序来处理的出现的紧急事务，处理结束后CPU自动返回到原先暂停的程序中去继续执行，这种执行过程由于外界的的原因被中间打断的情况成为中断。
※ 通俗一点，当生活中你正在专注于某事的时候，却因为某些原因，你需要放下手中的事，去做另外一件事情。就好比C/C++语言中的if语句。

（一）中断技术详解

1.什么是中断？

● 在单片机系统中，如果遇到需要紧急处理的突发事件时，CPU需要迅速的作出反应，暂停正在运行的程序来处理突发事件，这时就需要中断
● 中断是指单片机正在执行程序的时，发生突发事件从而打断当前程序，转而去处理这一事件，当处理完成后再回到原来被打断出继续执行原程序的过程。
● 意义：中断能提高CPU的效率，同事能够对突发事件做出实时处理。实现程序的并行化，实现嵌入式系统进程之间的切换。
中断分为同步中断和异步中断。
● 同步中断——同步中断是当指令执行时由 控制单元产生的，之所以称为同步，是因为只有在一条指令终止执行后 CPU 才会发出中断。
● 异步中断——异步中断是由其他硬件设备依照 CPU 时钟信号随机 产生的。
※ 通常我们所说的中断指的是异步中断，我们将同步中断称为异常。（异常是由程序的错误产生的，或者是由内核必须处理的异常条件产生的）
在这里插入图片描述

2.中断源

● 任何能够引发中断的事件都称为中断源。
● 分类：中断源可分为硬件中断源和软件中断源。

硬件中断源：外设，数据通道，时钟电路和故障源（如电源掉电）。
软件中断源： 为调试程序设置的中断，中断指令，执行过程出错。

3.中断处理的基本过程

● 中断处理分为如下几个步骤：中断请求，中断响应，保护断点，处理中断，中断返回。

3.1中断请求阶段

● 发生在CPU内部的中断（内部中断），不需要中断请求，CPU内部的中断控制逻辑直接接收处理。
● 外部中断请求由中断源提出。外部中断源利用CPU的中断输入引脚 输入中断请求信号。一般CPU设有两个中断请求输入引脚：可屏蔽中断请求输入引脚和不可屏蔽中断请求输入引脚。

3.1.1中断请求触发器

● 每个中断源发中断请求信号的时间是不确定的，而CPU在何时响应中断也 是不确定的。所以，每个中断源都有一个中断请求触发器，锁存自己的中断请求信号，并保持到CPU响应这个中断请求之后才将其清除。

3.1.2中断允许触发器

● 在CPU内部有一个中断允许触发器，当其为“1”时，允许CPU响应中断， 称为开中断。若其为“0”，不允许CPU响应中断，中断被屏蔽，称为关中断。
● 通常，当CPU复位时，中断允许触发器也复位为“0”，即关中断。当 CPU中断响应时，CPU自动关闭中断，禁止接受另一个新的中断。
● 中断允许触发器的状态可以用开中断或关中断指令来设置。

3.2中断判优阶段

● CPU一次只能接受一个中断源的请求，当多个中断源同时向CPU提出中断请求时，CPU必须找出中断优先级最高的中断源，这一过程称为中断判优。
● 中断判优可以采用硬件方法，也可采用软件方法。

3.2.1软件判优

● CPU检测到中断请求后，首先读取中断请求寄存器的内容，逐位检测它们的状态，检测到某一位为1，就确定对应的中断源有中断请求，转去执行它的中断服务程序。
● 先检测哪一个，哪一个的优先级就高，后检测哪一个，哪一个优先级就低，检测的顺序就是各中断源的优先级顺序。
在这里插入图片描述
假设上图中输入端口地址为87FFH。有如下查询程序：
MOV DX, 87FFH
IN AL, DX ;读中断请求寄存器内容
SHR AL, 1
JC IR0 ;IRQ0有请求，转IR0
SHR AL,1
JC IR1 ;IRQ1有请求，转IR1
SHR AL,1
JC IR2 ;IRQ2有请求，转IR2
… …
※ 软件判优耗时较长。如果中断源很多，中断的实时性就很差，但是软件判优优先权安排灵活。

3.2.2硬件判优

● 利用专门的硬件电路确定中断源的优先级，有两种常见的方式：菊花链判优电路和中断控制器判优。
❀菊花链判优电路
设计思想：每个中断源都有一个中断逻辑电路，所有的中断逻辑电路形成一个链，犹如菊花链。排在链前端的中断源优先级最高，越靠后的设备优先级越低。
在这里插入图片描述
实现过程： CPU收到中断请求，如果允许中断，CPU发出中断响应信号。中断响应信号首先到达菊花链的前端，如果中断源1提出了中断请求，它就会截获中断响应信号，封锁它，使它不能向下一个中断源传送。不论下面的中断源有没有提出中断请求，都不可能接收到中断响应信号，因此它们的中断请求也不能被响应。
❀中断控制器判优
● 中断控制器，如Intel8259A，可以以多种方式设置中断源的中断优先级。 中断控制器中有一个中断优先级判别器，它自动判别出目前提出中断请求的优先级最高的中断源，并将它的中断向量码送到数据总线，CPU接收中断向量码并据此找到它的中断服务程序。
在这里插入图片描述

3.3中断响应阶段

● 经过中断判优，中断处理就进入中断响应阶段。中断响应时，CPU向中断源发出中断响应信号，同时：
① 保护硬件现场；
② 关中断；
③ 保护断点；
④ 获得中断服务程序的入口地址。

3.4中断服务阶段

中断服务程序的一般结构为：
1）保护现场。 在中断服务程序的起始部分安排若干条入栈指令，将各寄存器的内容压入堆栈保存。
2）开中断。 在中断服务程序执行期间允许级别更高的中断请求中断现 行的中断服务程序，实现中断嵌套。
3）中断服务。 完成中断源的具体要求。
4）恢复现场。 中断服务程序结束前，必须恢复主程序的中断现场。通常是将保存在堆栈中的现场信息弹出到原来的寄存器中。
5）中断返回。 返回到原程序的断点处，继续执行原程序。

3.5中断返回阶段

返回到原程序的断点处，恢复硬件现场，继续执行原程序。
中断返回操作是中断响应操作的逆过程。

3.6中断过程总结

● 若中断事件发生，中断源向CPU发出有效的INT-REQ
● CPU结束当前指令的执行，进入对中断源请求信号的检测
● 如果CPU检测到有效的中断请求信号并满足响应条件，则向提出请求的中断源发送INT-ACK信号。
● CPU进行断点保护，即将现行程序被打断的标志寄存器状态内容以及CS和IP寄存器内容入栈（断点地址）入栈保存。同时获得有效INT-ACK信号的中断源撤销发出的中断请求信号，并为CPU提供中断处理程序的入口地址相关信息。
● 如果有多个中断源，CPU要先识别高优先级的中断源，然后根据中断源提供的中断程序入口地址转去执行中断服务程序。
● CPU执行中断处理程序，对获得响应的中断源进行服务，例如对IO设备进行IO操作，系统掉电时进行重要数据保护等。
● 中断处理完成时，恢复被保存在堆栈中的断点信息。
● CPU执行断点返回指令，是CPU回到之前被中断的程序断点处继续执行原程序。

4.中断优先级

8086/8088中断优先级：
软件中断(除单步中断）>非屏蔽中断NMI>可屏蔽中断INTR>单步中断
不同优先级中断的处理原则：

不同优先级的多个中断源同时发出中断请求，按照优先级高低依次处理。
低优先级中断正在处理，出现高优先级请求，应转去执行高优先级请求，服务结束后返回原低优先级中断服务程序继续执行。
高优先级中断正在处理，出现低优先级请求，可咋不响应。 中断处理时，出现同级别请求，应在当前中断处理结束后再处理新的请求。

（二）工程新建

1.硬件准备

● 硬件准备如下图：
在这里插入图片描述

2.中断工程新创

在这里插入图片描述
● 选择STM32F103C8T6。
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3.外设设置

● 设置指示灯LED引脚PB5，设置引脚模式为输出模式GPIO_Output
● 设置按键引脚PA1，设置引脚为外部中断功能，PA1与外部中断线EXIT1连接GPIO_EXIT1
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3.GPIO设置

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● 对于开关对应管脚PA1，设置其触发方式为上升沿触发。
在这里插入图片描述
● 使能对应的外部中断线，点击Enabled。
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4.配置中断优先级

● 大多数情况下不必设置中断优先级，直接使用中断编号设置的默认中断优先级。
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5.时钟设置

● 设置32MHZ。
在这里插入图片描述
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6.工程生成

● 命名与选择MDK-ARM。
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（三）“小试牛刀”——中断控LED亮灭

1.代码编写

● 在Keil文件中的gpio.c文件可以找到中断服务函数（void HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(uint16_t GPIO_Pin)）。
● 当捕获到上升沿，触发中断，就会进入到这个函数里面。
● 在main.c文件中找个地方重新写一下，因为前面的 __weak 表示此函数为虚函数，需要用户重写的。

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
	if( GPIO_Pin == A1_EXTI_Pin)//判断外部中断源
	{
		HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);//翻转LED状态
	}
}

在这里插入图片描述

2.代码编译

● 发现没有错误。在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

3.烧录实现

在这里插入图片描述
❀ 最终实现效果如下：
请添加图片描述

（四）总结

本文目的是主要解释如何用stm32F103核心板的GPIOA端一管脚接一个LED，GPIOB端口一引脚接一个开关；并采用中断模式编程，当开关接高电平时，LED亮灯；接低电平时，LED灭灯。苦心人，天不负。艰难困苦，玉汝于成！
寄语：少年的梦想是什么
   是他日金榜题名，身披荣耀，腰缠万贯，衣锦换乡
   不，是成长，是独当一面，是能给家人遮风挡雨，为家人提笔而战！

（五）参考文献

[1]https://blog.csdn.net/weixin_45989401/article/details/119464355
[2]https://blog.csdn.net/weixin_45863060/article/details/123121438
[3]https://blog.csdn.net/windeal3203/article/details/44588205
[4]https://blog.csdn.net/weixin_42240667/article/details/105071373

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