外部中断详解

7.1EXTI外部按键中断实验

前面我们学习了，LED灯和按键。实际上对于STM32来说，我们是学习了它的外设GPIO。这一节我们前面学习的内容，学习STM32的EXTI (External interrupt)，即外部中断。

前面的按键章节中，我们检测按键是否被按下的方式是轮询检测的方式，这里我们改为使用中断检测的方式，提高CPU的效率。

7.1.1什么是中断

单片机中断系统的概念：什么是中断，我们从一个生活中的例程引入。比如说你在做A 事，但是突然间来了你想起来了更重要的B事，所以你马上去做B事了，做完之后再回来继续做A事，这个就是中断。

7.1.2什么是单片机的中断？

当CPU正在执行一个任务，但突然又发生了一个更高级的任务，CPU必须立即去执行的任务，所以CPU必须中断当前的任务，并保存该任务已经执行的状态和相关信息，然后转而去执行那个更加高级的任务，因此就引入了“中断”这个概念。

中断是指计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回现行程序的间断处，继续执行原程序。中断是单片机实时地处理内部或外部事件的一种内部机制。当某种内部或外部事件发生时，单片机的中断系统将迫使CPU暂停正在执行的程序，转而去进行中断事件的处理，中断处理完毕后，又返回被中断的程序处，继续执行下去。

在程序里面也是一样的。举个例子可能会容易懂点，定时中断：比如你定时1ms，主程序在运行，每当1ms时间到后，就跑到定时中断子程序里面执行，执行完后再回到主程序（中断程序是1ms中断一次）。那对于整个系统来说中断能实现什么好处呢？下面我们给以说明：1）提高了CPU的效率

CPU是计算机的指挥中心，它与外围设备（如按键、显示器等）通讯的方法有查询和中断2种：查询的方法是无论外围IO是否需要服务，CPU每隔一段时间都要依次查询一遍，这种方法CPU需要花费一些时间在做查询服务工作。

中断则是在外围设备需要通讯服务时主动告诉CPU，这个时候CPU才停下当前工作去处理中断程序，不需要占用CPU主动去查询的时间，CPU可以在没有中断请求来临之前一直做自己的工作，从而提高了CPU效率。

2）可以实现实时处理

外设任何时刻都可能发出请求中断信号，CPU接到请求后及时处理，以满足实时系统的需要。

3）可以及时处理故障

计算机系统运行过程中难免会出现故障，有许多事情是无法预料的，如电源掉电、存储器出错、外围设备工作不正常等，这时可以通过中断系统向中断源CPU发送中断请求，由CPU及时转到相应的出错处理程序，从而提高计算机的可靠性。

7.1.3STM32中断的初步理解

神舟III号开发板的主芯片是STM32F103ZET6，它采用的是ARM公司的Cortex-M3内核。Cortex-M3内核支持256个中断，具有256级的可编程中断设置。但STM32并没有使用M3

内核的全部东西，而是只用了它的一部分。STM32只有84个中断（16个内核+68个外部），具有16级可编程的中断优先级。

Cortex-M3内核具有强大的异常响应系统，它把能够打断当前代码执行流程的事件分为异常(exception)和中断(interrupt)，并把它们用一个表管理起来，这个表就称为中断向量表。而STM32对中断向量表重新进行了编排，把编号从-3至6的中断向量定义为系统异常，编号为负的内核异常不能被设置优先级，如复位(Reset)、不可屏蔽中断 (NMI)、硬错误(Hardfault)。从编号7开始的为外部中断，这些中断的优先级都是可以自行设置的。

STM32的部分中断向量表如下图，详细内容请参考ST公司提供的参考手册相关中断的章节。

图 中断向量表

STM32F103ZET6的芯片属于大容量的产品。虽然都是STM32的芯片，但是不同类型的产品中断向量表是有区别的。ST公司的参考手册中针对不同类型的产品，提供有不同的中断向量表。实际应用的时候我们可以从启动文件startup_stm32f10x_hd.s中查找，在启动文件中，已经有相应芯片可用的全部中断向量。我们编写代码的时候，在写中断服务函数时，可以从启动文件中定义的中断向量表查找中断服务函数名。

7.1.4STM32中断的初始化过程以及手册的查询

关于中断的更加深入的理解查阅手册之后，ST明确给出需要查看另外的几个文档

这两个手册都在光盘资料里可以找到，《STM32F10XXX参考手册》中主要介绍的是关于中断的屏蔽，哪根中断线进行上升沿或者下降沿触发等，如下手册目录截图：

.这里没有涉及到优先级的设定，优先级的设定具体细节在另外一个手册中就是

《STM32F10xxx Cortex-M3编程手册》，如下手册目录截图：

最后第三个手册是《CM3技术参考手册》主要是介绍理论上的，介绍整个NVIC的编程器模型，有兴趣的可以详细去研究一下：

这么用户手册，那么外部中断初始化的一般要经过那些步骤呢？请见下面：

1）初始化IO口为输入。

2）开启IO口复用时钟，设置IO口与中断线的映射关系。

3）初始化线上中断，设置触发条件等（需参考《STM32F10XXX参考手册》）4）配置中断分组（NVIC），并使能中断（需参考《STM32F10xxx Cortex-M3编程手册》）

5）编写中断服务函数。

通过以上几个步骤的设置，我们就可以正常使用外部中断了，关于IO口初始化中断之后，唯一复杂的就只剩下中断分组的优先级了，这个优先级原本在51单片机中是比较简单的，但在M3中就被设计得比较复杂一些，优先级无非就是这些任务按先后顺序进行切换，那么我们接来下做一些详细的分析：

7.1.5NVIC中断控制器

中断的数量到达一定的数量，控制起来变得麻烦，因此Cortex-M3给我们提供了NVIC (Nested Vectored Interrupt Controller)，即向量中断控制器。ST提供的参考手册中，并没有关于NVIC 的描述。STM32的NVIC描述在手册《STM32F10xxx的Cortex-M3编程手册.pdf》中，特别是对相关寄存器的说明。

STM32采用Cortex-M3内核。但是STM32并没有使用Cortex-M3内核全部的东西，因此它的NVIC是Cortex-M3内核NVIC的子集。

图 NVIC在内核中的位置

我们对NVIC（向量中断控制器）进行操作的时候，一般要调用两个函数，中断分组函数NVIC_PriorityGroupConfig( )和初始化函数NVIC_Init( )。我们先看一下，这两个函数怎么使用，然后再对重要的概念进行分析。

中断分组函数NVIC_PriorityGroupConfig( )，对于该函数只有一个参数，ST给我们提供了5个可用的参数，我们只需要直接调用即可。NVIC初始化函数NVIC_Init() ，它有一个参数。它的参数是一个NVIC_InitTypeDef 类型的结构体。这个结构体参数一般由我们进行设定。

我们看一下该结构体的成员：

NVIC_IRQChannel 需要配置的中断向量

NVIC_IRQChannelCmd 使能或关闭相应中断向量的中断响应

NVIC_IRQChannelPreemptionPriority配置中断向量抢先优先级

NVIC_IRQChannelSubPriority 配置中断向量的响应优先级

首先要用NVIC_IRQChannel参数来选择将要配置的中断向量，用NVIC_IRQChannelCmd 参数来进行使能(ENABLE)或关闭（DISABLE）该中断。这两个比较好理解。就是STM32的中断那么多，你要确认使用的是那一个，然后使能一下。

NVIC_IRQChannelPreemptionPriority成员配置中断向量的抢先优先级，在NVIC_IRQChannelSubPriority配置中断向量的响应优先级。这两个优先级也是蛮好理解的。中断可以停下CPU当前正在执行的任务，转去执行其它的任务。当一个系统中，有许多的中断时。大家都是中断，一个中断正在运行时，另一个中断发生，后一个中断是否能够将前一个中断停止，从而去执行其它的任务？当多个中断同时发送时，要先执行那个，后执行那个？这个就是优先级要解决的问题。优先级的作用就是制定“规则”。优先级只有在有多个中断的时候，才有意义。一个系统中，只有一个中断的话，优先级就没有什么意义了。

下面我们详细分析一下，中断分组和中断优先级。

● 抢先优先级和响应优先级

STM32的中断具有两个属性，一个为抢先属性，另一个为响应属性，其属性编号越小，表明它的优先级别越高。

抢先，是指打断其它中断的属性，即因为具有这个属性，会出现嵌套中断(在执行中断服务函数A的过程中被中断B打断，执行完中断服务函数B再继续执行中断服务函数A)，抢先属性由NVIC_IRQChannelPreemptionPriority的参数配置。

而响应属性则应用在抢先属性相同的情况下，当两个中断向量的抢先优先级相同时，如果两个中断同时到达，则先处理响应优先级高的中断，响应属性由

NVIC_IRQChannelSubPriority的参数配置。

例如，现在有三个中断向量：

中断向量抢先优先级响应优先级

A 0 0

B 1 0

C 1 1

若内核正在执行C的中断服务函数，则它能被抢先优先级更高的中断A打断，由于B 和C的抢先优先级相同，所以C不能被B打断。但如果B和C中断是同时到达的，内核就会首先响应响应优先级别更高的B中断。

●NVIC的优先级组

在配置优先级的时候，还有一个优先级分组。这个分组，对前面我们提到的抢先优先级和响应优先级进行分组。就是说，一个中断系统中，有多少个抢先优先级，多少个响应优先级，可以由用户自行设定。

实际上，中断分组是由STM32的寄存器AIRC中PRIGROUP的值设定。寄存器AIRC 在ST官方提供的参考手册中并没有提到，而是在《STM32F10xxx的Cortex-M3编程手册.pdf》手册中。在底层的寄存器配置中，中断分组由4个位来决定。2^4=16，那么NVIC可以配置16种中断向量的优先级。对于这4bit的中断优先级控制位还分成2组。第一组是定义抢先

式优先级的位，第二组是定义子优先级的位。4bit的分组组合可以有以下5种形式：组别 4个bit的分配优先级状况

第0组 0:4 无抢先式优先级，16个子优先级

第1组 1:3 2个抢先式优先级，8个子优先级

第2组 2:2 4个抢先式优先级，4个子优先级

第3组 3:1 8个抢先式优先级，2个子优先级

第4组 4:0 16个抢先式优先级，无子优先级

第0组中，4个bit都用来配置抢先优先级，即NVIC配置的2^4 =16种中断向量都是只有抢先属性，没有响应属性。

第1组：最高1位用来配置抢先优先级，低3位用来配置响应优先级。表示有2^1=2种级别的抢先优先级(0级，1级)，有2^3=8种响应优先级，即在16种中断向量之中，有8种中断，其抢先优先级都为0级，而它们的响应优先级分别为0~7，其余8种中断向量的抢先优先级则都为1级，响应优先级别分别为0~7。

依此类推，第4组中，所有4位用来配置响应优先级。即16种中断向量具有都不相同的响应优先级。

这5种中断分组ST官方已经给我们定义好，使用的时候非常的简单。我们在调用库函数NVIC_PriorityGroupConfig()的时候，可输入ST公司给我们定义好的参数：

NVIC_PriorityGroup_0 ~ NVIC_PriorityGroup_4。

于是，有读者觉得疑惑了，STM32有几十个中断，NVIC只能配置16种中断向量，这怎么 够用？注意这里是16种，而不是16个。两个中断向量可以是同样的中断种类。

同时这里我们引入“中断通道”这个概念。比如一个STM2 单片机的所有I/O管脚可以配置为下降沿中断，上升沿中断和上升下降沿中断这三种模式。定时器（比如TIME2）本身能够引起中断的中断源或事件有好多个，比如更新事件（上溢/下溢）、输入捕获、输出匹配、DMA申请等。所有TIME2的中断事件都是通过一个TIME2的中断通道向STM32内核提出中断申请。

外围设备通常具备若干个可以引起中断的中断源或中断事件。而该设备的所有的中断都只能通过该指定的“中断通道”向内核申请中断。当该中断通道的优先级确定后，也就确定了该外围设备的中断优先级，并且该设备所能产生的所有类型的中断，都享有相同的通道中断优先级。至于该设备本身产生的多个中断的执行顺序，则取决于用户的中断服务程序。

7.1.6EXTI外部中断

STM32F103ZET一共有7组GPIO，每组GPIO口都有16个管脚，分别是PA[15:0]、PB[15:0]、PC[15:0]、PD[15:0] 、PE[15:0] 、PF[15:0] 、PG[15:0]。STM32的所有GPIO管脚都可以作为中断输入源，但是如果每个GPIO都是一个独立的中断源，则需要112个中断源，这是不科学的，所以通过复用的方式使其对处理器来说来自GPIO的一共有16个中断Px[15:0]。具体实现是PA[0]、PB[0]、PC[0]、PD[0] 和PE[0]共享一个GPIO中断；PA[1]、PB[1]、PC[1]、PD[1] 和PE[1]共享一个GPIO中断；……PA[15]、PB[15]、PC[15]、PD[15] 和PE[15]共享一个GPIO 中断，如下图所示：

PAx~PGx端口的中断事件都连接到了EXTIx，即同一时刻EXTx只能相应一个端口的事件触发，不能够同一时间响应所有GPIO端口的事件，但可以分时复用。它可以配置为上升沿触发，下降沿触发或双边沿触发。EXTI 最普通的应用就是接上一个按键，设置为下降

沿触发，用中断来检测按键。

7.1.7硬件设计

神舟III号STM32开发板总共有4个功能按键，分别是WAKEUP按键和TAMPER按键及两个用于自定义功能按键，在不使用第二功能的情况下，这四个按键都可以作为通用的按键，由用户自定义其功能。这四个按键分别与PD3、PA8、PC13和PA0四个GPIO管脚连接，当按键按下时，对应的GPIO管脚为低电平，反之，当没有按键按下时，对应的GPIO管脚为高电平。其中PA0 (STM32的WKUP引脚)可以作为WK_UP功能，它除了可以用作普通输入按键外，还可以用作STM32的唤醒输入。PC13可以实现备份区寄存器的入侵功能。本实验中所有的按键均作为普通IO使用。

图表 1 按键输入电路

GPIO管脚与按键对应关系

按键按键对应的GPIO

USER1 PA8

USER2 PD3

KEY3/TAMPER PC13

KEY4/WAKEUP PA0

本实验需要使用的GPIO管脚与对应的LED灯关系如下：

LED灯 LED灯对应的GPIO

DS1 PF6

DS2 PF7

DS3 PF8

DS4 PF9

7.1.8软件设计

我们在目录Project文件夹下增加了exti.c和exti.h文件。在工程中User组下添加exti.c文件和stm32f10x_it.c文件。同时在组StdPeriph_DrIIIer中，添加stm32f10x_exti.c文件和misc.c 文件。如下图：

我们从main.c主函数开始分析。

主程序中，首先调用函数LED_Init()初始化板载的LED灯。函数SZ_STM32_KEYInit()初始化板载的按键。然后调用函数NVIC_GroupConfig()和函数EXTIX_Init()对按键中断进行配置。最后进入while循环。当没有按键中断发生的时候，板载的4个LED灯，呈流水灯的现象。按键中断发生时，执行相应的中断服务函数。而后再回过头来，执行流水灯的程序。

LED灯和按键，这两部分我们前面已经讲过，这里就不重复。这里我们主要分析关于中断的内容。

代码分析1：函数NVIC_GroupConfig() ，优先级分组。

本实验中我们将，2比特表示主优先级，主优先级合法取值为0、1、2、3共4个等级。2比特表示次优先级，次优先级合法取值为0、1、2、3。数值越低优先级越高。

代码分析2：函数void EXTIX_Init( )，外部中断配置，中断优先级配置。

代码中，首先定义了EXTI_InitTypeDef型的结构体EXTI_InitStructure，和

NVIC_InitTypeDef型的结构体NVIC_InitStructure。这两个结构体在后边我们会用到。这是C语言的知识。

● 使用代码RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE)开启AFIO 的时钟。AFIO (alternate-function I/O)，指GPIO端口的复用功能，GPIO除了用作普通的GPIO输入输出功能外，还可以作为片上外设的管脚。比如在STM32F103ZET 芯片中，PA9和PA10可以作为普通的GPIO管脚，但是它两通过复用可以用做串口的数据发送接收引脚。

当GPIO管脚用做EXTI外部中断时，必须打开AFIO时钟。

● EXTI的初始化配置。

使用代码GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOC, GPIO_PinSource4)，把GPIOC 的Pin4设置为EXTI的输入线。

给EXTI_InitStructure结构体赋值，该结构体有4个成员。

EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line3; //中断线

EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt; //中断模式

EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling; //下降沿触发

EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;

EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

给EXTI_Line成员赋值。选择EXTI_Line3线进行配置，因为按键的PD3连接到了

EXTI_Line3。

给EXTI_Mode成员赋值。把EXTI_Line3的模式设置为为中断模式

EXTI_Mode_Interrupt。这个结构体成员也可以赋值为事件模式EXTI_Mode_Event ，这个模式不会立刻触发中断，而只是在寄存器上把相应的事件标置位置1，应用这个模式要不停地查询相应的寄存器。

给EXTI_Trigger成员赋值。把中断触发方式(EXTI_Trigger)设置为下降沿触发

（EXTI_Trigger_Falling）。

给EXTI_LineCmd成员赋值。把EXTI_LineCmd设置为使能。 最后调用EXTI_Init()把EXTI初始化结构体的参数写入寄存器。

● NVIC中断优先级配置。

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI3_IRQn; //使能外部中断通道

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02; //抢占优先级 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x03; //子优先级

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //使能外部中断通道 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

给NVIC_IRQChannel成员赋值。选择EXTI3_IRQn线进行配置，因为按键的PD3使用的是外部通道EXTI3_IRQn。

给NVIC_IRQChannelPreemptionPriority成员赋值。这里是设置抢先优先级。

给NVIC_IRQChannelSubPriority成员赋值。这里是设置响应优先级。

给NVIC_IRQChannelCmd成员赋值。设置为ENABLE，使能外部中断通道。调用函数

NVIC_Init()把NVIC初始化结构体的参数写入寄存器。

代码分析3：中断服务函数。

在这个EXTI设置中我们把PD3连接到内部的EXTI3，GPIO配置为上拉输入，工作在下降沿中断。在外围电路上我们将PD3接到了key1上。当按键没有按下时，PD3始终为高，当按键按下时PD3变为低，从而PD3 上产生一个下降沿跳变，EXTI3会捕捉到这一跳变，并产生相应的中断，对应到的中断函数为EXTI3_IRQn()，可以在stm32f10x_it.c中找到这个对应的函数。

中断服务函数的名称是不能随意定义的，必须与启动文件startup_stm32f10x_hd.s中的中断向量表定义一致。

●这里需要说明一下，STM32的IO口外部中断函数只有6个，分别为：

EXPORT EXTI0_IRQHandler

EXPORT EXTI1_IRQHandler

EXPORT EXTI2_IRQHandler

EXPORT EXTI3_IRQHandler

EXPORT EXTI4_IRQHandler

EXPORT EXTI9_5_IRQHandler

EXPORT EXTI15_10_IRQHandler

中断线0-4每个中断线对应一个中断函数，中断线5-9共用中断函数EXTI9_5_IRQHandler，中断线10-15共用中断函数EXTI15_10_IRQHandler。

●关于函数EXTI_GetITStatus(EXTI_Line3)和EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line3)做进一步分析在编写中断服务函数的时候会经常使用到两个函数。

第一个函数是判断某个中断线上的中断是否发生（标志位是否置位）。这个函数一般使用在中断服务函数的开头判断中断是否发生。

第二个函数是清除某个中断线上的中断标志位，这个函数一般应用在中断服务函数结束之前，清除中断标志位。

中断服务函数中，其它的内容就是我们讲按键的章节的内容一致，延时去抖，反转LED灯的状态。

7.1.9下载与验证

如果使用JLINK下载固件，请按错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。下载固件到神舟III号开发板小节进行操作。

7.1.10实验现象

上电运行。在没有按键按下时，板载的4个LED灯，呈流水灯功能。有按键按下，相关的LED灯会随之发生变化，并且流水灯功能停止。按键松开，流水灯功能恢复。