【RoboMaster】細說單片機的中斷系統！【STM32】

同步博客地址：從STM32開始的RoboMaster生活：進階篇 II [Interrupt]

1.0 什麼是Interrupt？

中斷是指計算機運行過程中，出現某些意外情況需主機干預時，機器能自動停止正在運行的程序並轉入處理新情況的程序，處理完畢後又返回原被暫停的程序繼續運行。

Interrupt在STM32中大致分爲兩種，一種就是普通的Interrupt，由外部的外設來打斷MCU，另一種名爲Exception，是由內部的軟件程序自行打斷MCU。
要大致理解Interrupt，我們需要了解一下整個運行週期
1. 首先是，MCU接收到打斷信號，但是還沒有對該信號做出反應
2. 然後，當MCU運行完當前的指令後，在fetch下一個指令前，停止當前程序，進入中斷
3. 保存被打斷的程序的狀態到系統棧，把發起中斷的程序的預備狀態載入到系統棧，進入該程序
4. 執行發起中斷的程序
5. 完成後，再把被打斷的程序的狀態從系統棧加載回來，然後繼續執行被打斷的程序（全當做無事發生.JPG）

2.0 爲什麼需要Interrupt？

在將Interrupt前，必須提一下Polling。我打個比方，比如有個快遞要今天送過來，但你現在正在做RoboMaster，而快遞小哥也不知道你長啥樣，如果在他來的時候沒來人拿，那他就走了，包裹就沒了（這個傳來的數據是即時的，數據可不會等你）。
如果是Polling，那就是，你一直時不時盯着小區門口，看快遞小哥來沒來，結果可想而知，可能一整天都沒做多少RoboMaster，甚至可能在做的時候，正好小哥來了又走了，結果快遞也沒拿到。
那有沒有辦法，可以既能夠放心做RoboMaster，又不用擔心錯過快遞呢？這就是Interrupt登場的時候了，方法也很簡單，讓快遞小哥在快遞送到的時候給你打個電話（中斷信號），你放下手中的RoboMaster任務（被中斷），去門口拿快遞（執行中斷程序），拿完後繼續做RoboMaster（繼續被中斷的任務）就行了。

3.0 STM32內部實現線路 & NVIC

NVIC全稱爲Nested Vectored Interrupt Controller，是STM32專門劃分獨立出來的模塊，專門負責Interrupt事宜，其中技術細節和使用細節非常冗雜，但是實際在RoboMaster中能使用到的部分卻是比較簡單的，所以本文也不展開細說。

從上圖中我們可以看到，NVIC並不是和每個GPIO有單獨的線路相連，而是將GPIO分組的，這裏與GPIO自己的外設分組不同，並不是PA0，PA1，PA2…爲一組，而是PA0，PB0，PC0…爲一組，每組共用一根Interrupt信號線，而且更爲複雜和迷惑的是，有些特殊情況，比如EXTI10和EXTI15居然在NVIC裏面是合併的，但這不用擔心，因爲就算合併了，STM32也是能分辨具體是從那個組發出的（HAL_GPIO_EXTI_Callback函數能夠區分是那個組）。你很可能也猜到了，NVIC是沒法分辨每個組內部是那個引腳發出的Interrupt信號，所以在設置芯片的時候，每個組只能有一個引腳能夠使用Interrupt。

4.0 Interrupt的生命週期

要談這個，避免不了要講講Priority 優先級

爲使系統能及時響應並處理髮生的所有中斷，系統根據引起中斷事件的重要性和緊迫程度，硬件將中斷源分爲若干個級別，稱作中斷優先級。

在實際系統中，常常遇到多箇中斷源同時請求中斷的情況，這時MCU必須確定首先爲哪一個中斷源服務，以及服務的次序。解決的方法是中斷優先排隊，即根據中斷源請求的輕重緩急，排好中斷處理的優先次序即優先級( Priority )，又稱優先權，先響應優先級最高的中斷請求。另外，當MCU正在處理某一中斷時，要能響應另一個優先級更高的中斷請求，而屏蔽掉同級或較低級的中斷請求，形成中斷嵌套。
中斷優先級原則
1. CPU首先響應高優先級的中斷請求；
2. 如果優先級相同，MCU按查詢次序響應排在前面的中斷；
3. 正在進行的中斷過程不能被新的同級或低優先級的中斷請求所中斷；
4. 正在進行的低優先級中斷過程，能被高優先級中斷請求所中斷。
而在STM32中，又有兩種不同的優先級
- Preempt Priority
  - 也就是我們最常說的常用的Priority，優先級小，越優先，比如優先級如果爲負，那就是系統自己的系統中斷，比任何用戶代碼的優先級都高，而用戶能夠設置的最高的優先級就是0級，其次是1級，2級…
- Subpriority
  - 主要針對當Preempt Priority相同的情況。
  - 比如，當某個0級程序正在運行時，有1個2級程序發出中斷信號，但是因爲2級程序的優先級比0級低，所以被Pending 延遲處理了，在0級程序還沒運行完的時候，又有一個2級程序發出中斷信號，因爲同樣的原因，也被Pending了，問題來了，當0級程序處理完後，請問先執行那個2級程序呢？當然是，子優先級小的那個。

5.0 如何使用Interrupt

首先是要在配置芯片的時候，給引腳選擇EXTI模式

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin){
	......
}

在寫代碼的時候，在main.c中創建HAL_GPIO_EXTI_Callback函數
在該函數中填寫如果被中斷，需要執行的代碼

在<項目>/Drivers/STM32F4xx_HAL_Driver/Src的stm32f4xx_hal_gpio.c文件中，我們可以看到其定義
__weak void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  /* Prevent unused argument(s) compilation warning */
  UNUSED(GPIO_Pin);
  /* NOTE: This function Should not be modified, when the callback is needed,
           the HAL_GPIO_EXTI_Callback could be implemented in the user file
   */
}
這裏的__weak指明瞭，該函數如果沒被用戶創建，就使用上面的代碼被默認創建，而如果用戶在main.c中自主創建該函數，則用戶創建的函數覆蓋默認定義的函數。

值得注意的一點是，HAL_GPIO_EXTI_Callback中的uint16_t GPIO_Pin是給用戶說明了發出中斷信號的是哪個組，正如3.0裏面所說，就算EXTI10和EXTI15在NVIC裏面是合併的，這個參數也能區分到底是EXTI10還是EXTI15發出的信號，所以不用擔心合併後無法區分的問題。

6.0 練習項目

6.1 項目簡介

與從STM32開始的RoboMaster生活：進階篇 I [GPIO]裏面的項目相同，但是用Interrupt來實現，鏈接地址

6.2 芯片配置

芯片視角

GPIO配置列表

NVIC配置列表

6.3 項目代碼

我只放了main.c，完整的工程文件可以在這裏找到！
Src/main.c

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * <h2><center>&copy; Copyright (c) 2020 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.</center></h2>
  *
  * This software component is licensed by ST under BSD 3-Clause license,
  * the "License"; You may not use this file except in compliance with the
  * License. You may obtain a copy of the License at:
  *                        opensource.org/licenses/BSD-3-Clause
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */

/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage 
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE3);
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/**
  * @brief GPIO Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOG_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOG, LD8_Pin|LD7_Pin|LD6_Pin|LD5_Pin 
                          |LD4_Pin|LD3_Pin|LD2_Pin|LD1_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(LD_RED_GPIO_Port, LD_RED_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(LD_GREEN_GPIO_Port, LD_GREEN_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pins : LD8_Pin LD7_Pin LD6_Pin LD5_Pin 
                           LD4_Pin LD3_Pin LD2_Pin LD1_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = LD8_Pin|LD7_Pin|LD6_Pin|LD5_Pin 
                          |LD4_Pin|LD3_Pin|LD2_Pin|LD1_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(GPIOG, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : Button_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = Button_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  HAL_GPIO_Init(Button_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : LD_RED_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = LD_RED_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(LD_RED_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : LD_GREEN_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = LD_GREEN_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(LD_GREEN_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /* EXTI interrupt init*/
  HAL_NVIC_SetPriority(EXTI2_IRQn, 1, 0);
  HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI2_IRQn);

}

/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
	if(GPIO_Pin == Button_Pin){
		HAL_Delay(500);
		HAL_GPIO_TogglePin(LD_RED_GPIO_Port,LD_RED_Pin);
		HAL_Delay(100);
		HAL_GPIO_TogglePin(LD_GREEN_GPIO_Port,LD_GREEN_Pin);
		HAL_Delay(100);
		HAL_GPIO_TogglePin(LD1_GPIO_Port,LD1_Pin);
		HAL_Delay(100);
		HAL_GPIO_TogglePin(LD2_GPIO_Port,LD2_Pin);
		HAL_Delay(100);
		HAL_GPIO_TogglePin(LD3_GPIO_Port,LD3_Pin);
		HAL_Delay(100);
		HAL_GPIO_TogglePin(LD4_GPIO_Port,LD4_Pin);
		HAL_Delay(100);
		HAL_GPIO_TogglePin(LD5_GPIO_Port,LD5_Pin);
		HAL_Delay(100);
		HAL_GPIO_TogglePin(LD6_GPIO_Port,LD6_Pin);
		HAL_Delay(100);
		HAL_GPIO_TogglePin(LD7_GPIO_Port,LD7_Pin);
		HAL_Delay(100);
		HAL_GPIO_TogglePin(LD8_GPIO_Port,LD8_Pin);
	}
}
/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */

  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{ 
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

6.4 效果展示

效果與從STM32開始的RoboMaster生活：進階篇 I [GPIO]裏面展示的相同，鏈接地址

【RoboMaster】細說單片機的中斷系統！【STM32】

1.0 什麼是Interrupt？

2.0 爲什麼需要Interrupt？

3.0 STM32內部實現線路 & NVIC

4.0 Interrupt的生命週期

5.0 如何使用Interrupt

6.0 練習項目

6.1 項目簡介

6.2 芯片配置

6.3 項目代碼

6.4 效果展示

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