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Diving into the HAL-----Interrupts

news 2025/4/3 11:04:49

硬件管理就是处理异步事件。其中大部分来自硬件外围设备。例如，计时器达到配置的 period 值，或者 UART 在数据到达时发出警告。

中断是一个异步事件，它会导致按优先级停止执行当前代码（中断越重要，其优先级越高;这将导致优先级较低的中断被挂起）。为中断提供服务的代码称为 Interrupt Service Routine （ISR）。

中断可以由硬件和软件本身产生。ARM 架构区分了两种类型：由硬件发起的中断，由软件发起的异常（例如，访问无效的内存位置）。在 ARM 术语中，中断是一种异常。Cortex-M 处理器提供了一个专门用于异常管理的单元。这称为嵌套向量中断控制器（NVIC）。

1、NVIC中断控制器

NVIC 是基于 Cortex-M 的微控制器内部的专用硬件单元，负责异常处理。下图是NVIC 单元、处理器内核和外设之间的关系。必须区分两种类型的外设：CortexM 内核外部同时也是STM32 MCU 内部的外设（例如定时器、UARTS 等），以及 MCU 外部的外设（中断源是 MCU I/O）。

ARM 区分源自 CPU 内核内部的系统异常和来自外部外设的硬件异常，也称为中断请求（IRQ）。程序员只需要使用特定的 ISR 管理异常（通常使用 C 语言编写）。处理器知道在哪里找到这些例程，这要归功于一个包含 Interrupt Service Routines 内存中地址的间接表。这个表通常称为矢量表，每个 STM32 微控制器都定义了自己的表。异常类型如下：

向量表包含处理程序例程的地址（实际上是一个间接表），Cortex-M 内核需要一种方法来在内存中查找向量表。按照惯例，在所有基于 Cortex-M 的处理器中，向量表都从硬件地址 0x0000 0000 开始。如果我们的固件设计为矢量表驻留在内部闪存中（一种非常常见的情况），那么矢量表将从所有 STM32 MCU 中的 0x0800 0000 地址开始放置。然而，在第 1 章中，我们看到当 CPU 启动时，0x0800 0000 地址会自动别名到 0x0000 0000。

2、使能中断

当 STM32 MCU 启动时，默认情况下仅启用 Reset、NMI 和 Hard Fault 异常。其余的异常和外设中断被禁用，并且必须根据请求启用它们。
为了启用 IRQ，CubeHAL 提供了以下功能：

void HAL_NVIC_EnableIRQ(IRQn_Type IRQn);void HAL_NVIC_DisableIRQ(IRQn_Type IRQn);

其中 IRQn_Type 是为该特定 MCU 定义的所有异常和中断的枚举。IRQn_Type 枚举是 ST 驱动程序 HAL 的一部分，它在 stm32XXxx.h头文件中定义。

需要注意的是，上面两个函数在 NVIC 控制器级别启用/禁用中断。从前面中可以看出，连接到该线路的外设断言了一条中断线路。例如，USART2 外设断言与 NVIC 控制器内部的 USART2_IRQn 中断线相对应的中断线。这意味着必须正确配置单个外设才能在中断模式下工作。大多数 STM32 外设都设计为在中断模式下工作。通过使用特定的 HAL 例程，我们可以在外设级别启用中断。例如，使用 HAL_USART_Transmit_IT（），我们在中断模式下隐式配置 USART 外设。显然，还需要通过调用 HAL_NVIC_EnableIRQ（）在 NVIC 级别启用相应的中断。

2.1、中断线

如下图，所有 Px0 引脚都连接到 EXTI0，所有 Px10 引脚都连接到 EXTI10，所有 Px15 引脚都连接到 EXTI15。但是，EXTI 10 和 15 线路在 NVIC 内共享相同的 IRQ（因此由相同的 ISR 提供服务）。

例如，PC13按键手动控制PA5 LED闪烁：

int main(void) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};/* MCU Configuration----------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* GPIOA and GPIOC Configuration----------------------------------------------*//* GPIO Ports Clock Enable */__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();/*Configure GPIO pin : PC13 */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);/*Configure GPIO pin : PA5 */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);/* Configure GPIO pin Output Level */HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);/* EXTI interrupt init*/HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);while (1);
}void EXTI15_10_IRQHandler(void) {if(__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(GPIO_PIN_13) != RESET) {__HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(GPIO_PIN_13);HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5);}
}

首先，GPIO PC13 配置为每次从低电平变为高电平时触发中断。这是通过设置 GPIO 来实现的。Mode 设置为 GPIO_MODE_IT_RISING。

接下来，启用与 Px13 引脚关联的 EXTI 线的中断，即 EXTI15_10_IRQn。

最后，定义函数 void EXTI15_10_IRQHandler（），这是与向量表中 EXTI15_10 IRQ 关联的 ISR 例程。ISR 的内容非常简单。由于 EXTI15_10 线连接到不同的引脚，检查 PC13 是否是触发中断的引脚。如果是这样，切换 PA5 I/O 并清除与 EXTI 线关联的pending处理位。

幸运的是，ST HAL 提供了一种抽象机制，除非我们需要处理它们，否则我们无需处理所有这些细节。前面的例子可以按以下方式重写：

int main(void) {GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};/* MCU Configuration----------------------------------------------------------*//* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */HAL_Init();/* Configure the system clock */SystemClock_Config();/* GPIOA and GPIOC Configuration----------------------------------------------*//* GPIO Ports Clock Enable */__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();/*Configure GPIO pin : PC13 */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_12 | GPIO_PIN_13;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);/*Configure GPIO pin : PA5 */GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5;GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);/* Configure GPIO pin Output Level */HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET);/* EXTI interrupt init*/HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);while (1);
}void EXTI15_10_IRQHandler(void) {HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_12);HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_13);
}void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_13)HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, SET);else if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_12)HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, RESET);
}

这次我们将引脚 PC13 和 PC12 都配置为中断源。当调用 EXTI15_10_IRQHandler（） ISR 时，我们将控制权转移到 HAL 内的 HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler（）函数。这将为我们执行所有与中断相关的活动，并且它将调用 HAL_GPIO_EXTI_Callback（）例程，该例程传递生成 IRQ 的实际 GPIO（请记住，PC12 和 PC13 连接到同一条外线中断线）。

下图清楚地显示了从 IRQ生成的调用序列。HAL 中几乎所有的 IRQ 处理程序例程都使用这种机制。

2.2、使用 CubeMX 启用中断

CubeMX 会自动将已启用的 ISR 添加到 Core/Src/stm32XXxx_it.c 文件中，并负责启用 IRQ。此外，它还为我们添加了要调用的相应 HAL 处理程序例程，如下所示：

/**
* @brief This function handles EXTI line[15:10] interrupts.
*/
void EXTI15_10_IRQHandler(void) {/* USER CODE BEGIN EXTI15_10_IRQn 0 *//* USER CODE END EXTI15_10_IRQn 0 */HAL_GPIO_EXTI_IRQHandler(GPIO_PIN_13);/* USER CODE BEGIN EXTI15_10_IRQn 1 *//* USER CODE END EXTI15_10_IRQn 1 */
}

我们只需要在应用程序代码中添加相应的回调函数（例如 HAL_GPIO_EXTI_Callback（）例程）。

注意：stm32XX_hal_cortex.c 模块清楚地展示了 ST HAL 和 CMSIS 包之间的交互，因为它完全依赖官方的 ARM 包来处理底层的 Cortex-M NVIC 控制器。每个 HAL_NVIC_xxx（）函数都是相应 CMSIS NVIC_xxx（）函数的包装。这意味着我们可以使用 CMSIS API 对 NVIC 控制器进行编程。

3、中断生命周期

一旦处理了中断，了解它们的生命周期就非常重要了。尽管 Cortex-M 内核会自动为我们完成大部分工作，但我们必须注意在中断管理过程中可能造成混淆的某些方面。

中断可以：

1. 禁用（默认行为）或启用：我们调用 HAL_NVIC_EnableIRQ()/HAL_NVIC_DisableIRQ()函数启用/禁用它;

2. 处于待处理状态（请求正在等待送达）或未待处理;

3. 处于 Active （正在服务）或 Inactive 状态。

我们已经在上一段中看到过第一种情况。现在，研究发生中断时会发生什么很重要。当中断触发时，它会被标记为 pending （挂起），直到处理器可以处理它。如果当前没有其他中断正在处理，则处理器会自动清除其 pending 状态，处理器几乎立即开始为其提供服务。

上图显示了其工作原理。中断 A 在时间 t0 触发，由于 CPU 没有为另一个中断提供服务，因此其待处理位被清除，其执行立即开始⁸（中断变为活动状态）。在时间 t1 触发 B 中断，但在这里我们假设它的优先级低于 A。因此，它将处于待处理状态，直到 A ISR 结束其操作。发生这种情况时，待处理位会自动清除，ISR 变为活动状态。

上图显示了另一个重要情况。在这里，我们发现 A 中断触发，CPU 可以立即为它提供服务。中断 B 在 A 提供服务时触发，因此它保持待处理状态，直到 A 完成。发生这种情况时，B interrupt 的 pending bit 将被清除，并且它变为活动状态。但是，一段时间后，A 中断再次触发，由于它具有更高的优先级，因此 B 中断被暂停（变为非活动状态），并立即开始执行 A。完成此操作后，B 中断将再次变为活动状态，并完成其作业。

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http://www.mrgr.cn/news/61332.html