2.10 EXTI外部中断

中断相关知识

中断的定义

中断，是在主程序运行过程中，出现了特定的中断触发条件，这个中断触发条件就是中断源，使得CPU暂停当前正在运行的程序，转而去处理中断程序，处理完成后又返回原来被暂停的位置继续运行。

可以看出来，中断就是在正常主程序执行的某个时刻，发生了中断触发条件，比如对于外部中断来说，可以是引脚发生了电平跳变；对于定时器来说，可以是定时的时间到了；对于串口通信来说，可以是接收到了数据。

当这些事件发生时，情况会比较紧急，比如外部中断来了，你如果不来处理，下一个跳变信号就跟着过来了

外部中断和中断系统；比如串口接收中断来了，你如果不来读取接收到的数据，那下一个数据再过来，就会把原来的数据覆盖掉。所以我们希望当中断条件满足时，CPU能够立即停止当前执行的程序，转而去处理这些中断事件的程序。比如外部中断来了，我想要计次，那就“变量++”，串口中断来了，我就把接收到的数据转存起来，当这些紧急事件处理完成之后，CPU还能回到原来的停下的地方继续运行，这就是中断的处理流程和用途。

使用中断系统能够极大的提高程序的效率，比如如果没有中断系统，为了防止外部中断被忽略或者串口数据被覆盖，那主程序就只能不断地查询是否有这些事件是否发生，不能再干其他事情了。比如没有定时器中断，那主程序只有靠Delay函数，才能实现定时的功能，但有了中断系统之后，主程序就可以放心执行其他事情，有中断的时候再去处理，这样效率就会大大提升。

中断优先级

当有多个中断源同时申请中断时，CPU会根据中断源的轻重缓急进行裁决，优先响应更加紧急的中断源。

也就是说，中断优先级就是中断的紧急程度，这个中断优先级是我们根据程序设计的需求，自己设置的。中断优先级是为了在多个中断同时申请时，判断一下，应该先处理哪个，如果事件非常紧急，那你就把优先级设置的高一些，如果不是那么紧急，那你就可以把优先级设置的低一些，这样就可以更好的安排这些中断事件，防止紧急的事件被别的中断耽误。在STM32中，中断的优先级还有多种分类，这个我们一会会写。

中断嵌套

中断嵌套是指一个中断程序正在运行时，又有新的更高优先级的中断源申请中断，CPU再次暂停当前中断程序，转而去处理新的中断程序，处理完后依次进行返回。

这种把中断程序再次中断的现象，就叫做中断嵌套，中断嵌套也是为了照顾非常紧急的中断的，如果现在CPU已经在执行某个中断程序了，这时又发生一个非常紧急的中断，那这个中断就可以把当前中断程序进行二次中断，这样新的紧急中断就可以立即被执行了。那能否进行中断嵌套，也是由中断优先级来决定的。

中断执行流程

一般中断程序都是在一个子函数里的，这个函数不需要我们调用，当中断来临时，由硬件自动调用这个函数。

STM32中断

STM32F1系列有68个可屏蔽中断通道，这个中断通道就是中断源的意思，68个中断源，这个是F1系列最多的中断数量，对应于一个具体的型号，可能没有那么多中断。

STM32的中断包含EXTI外部中断、TIM定时器、ADC模数转换器、USART串口、SPI通信、I2C通信、RTC实时时钟等多个外设，STM32的中断是非常多的，几乎所有模块都可以申请中断。

使用NVIC统一管理中断，每个中断通道都拥有16个可编程的优先等级，还可以对优先级进行分组，进一步设置抢占优先级和响应优先级。

NVIC就是STM32中用来管理中断、分配优先级的。NVIC的中断优先级总共有16个等级，还可以设置抢占优先级和响应优先级，这个是非常灵活的。

NVIC基本结构

这个NVIC的名字叫做嵌套中断向量控制器，在STM32中，它是用来统一分配中断优先级和管理中断的。

NVIC是一个内核外设，是CPU的小助手，我们刚才知道，STM32的中断非常多，如果把这些中断全部接到CPU上，那CPU还得引出很多线进行适配，设计上就很麻烦，并且如果很多中断同时申请，或者中断很多产生了拥堵，CPU也很难处理，毕竟CPU主要用来运算的，中断分配的任务就放到别到地方吧，所以NVIC就出现了，NVIC有很多输入口，你有多少中断线路，都可以接过来，线上画了个斜杠，上面写个n，这个意思是一个外设可能会同时占用多个中断通道，所以这里有n条线。

NVIC只有一个输出口，NVIC根据每个中断的优先级分配中断的先后顺序，之后通过右边的输出口告诉CPU,你该处理哪个中断，对于中断先后顺序分配的任务，CPU不需要知道。

NVIC优先级分组

为了处理不同形式的优先级，STM32的NVIC可以对优先级进行分组，分为抢占优先级和响应优先级，那这两种优先级有什么区别呢？

举个病人叫号的例子：

对于紧急的病人，其实有两种优先的形式，一种是，上一个病人在看病，外面排队了很多病人，当上一个病人看病看完后，紧急的病人即使是后来的，也会最先进去看病，这种相当于插队的优先级，就叫响应优先级。响应优先级高的，可以插队提前看病。

另外，如果这个病人更加紧急，并且此时已经有人在看病了，那他还可以不等上一个人看完，直接冲到医生的屋里，让上一个病人先靠边站，先给他看病，等他看完了，然后上一个病人再继续，上一个病人结束了，叫号系统再看有没有人来，这种形式的优先就是我们之前写的中断嵌套。这种决定是不是可以中断嵌套的优先级，就叫抢占优先级。抢占优先级高的，可以进行中断嵌套。

这些就是抢占优先级和响应优先级的解释。

那我们刚才写了，每个中断有16个优先级，为了把这个优先级再区分为 抢占优先级和响应优先级，就需要对这16个优先级进行分组了。

NVIC的中断优先级由优先级寄存器的4位（0~15）决定，这里的4位二进制可以表示0~15的数，对应16个优先级，这个优先级的数是值越小，优先级越高，0就是最高优先级。这4位可以进行切分，分为高n位的抢占优先级和低4-n位的响应优先级 抢占优先级高的可以中断嵌套，响应优先级高的可以优先排队，抢占优先级和响应优先级均相同的按中断号排队。

分组0就是0位的抢占等级，取值只能为0，4位的响应等级，取值可以是0~15。

分组1就是1位的抢占等级，取值是0~1，3位的响应等级，取值是0~7。

分组2就是2位的抢占等级，取值是0~3，2位的响应等级，取值是0~3。

分组3就是3位的抢占等级，取值是0~7，1位的响应等级，取值是0~1。

分组4就是4位的抢占等级，取值是0~15，0位的响应等级，取值只能是0。

这五种分组方式，是我们在程序中自己来选择的，选好分组方式之后，我们在配置优先级的时候，就要注意抢占优先级和响应优先级的取值范围了，不要超出这个表里规定的取值范围。

EXTI外部中断

了解完NVIC这个叫号系统和叫号规则，我们就来看一下第一个病人，EXTI外部中断。

EXTI（Extern Interrupt）外部中断 EXTI可以监测指定GPIO口的电平信号，当其指定的GPIO口产生电平变化时，EXTI将立即向NVIC发出中断申请，经过NVIC裁决后即可中断CPU主程序，使CPU执行EXTI对应的中断程序，这就是EXTI的基本功能，简单来就是引脚电平变化，申请中断。

支持的触发方式：上升沿/下降沿/双边沿/软件触发

支持的GPIO口：所有GPIO口，但相同的Pin不能同时触发中断，意思是，比如PA0和PB0不能同时用或者PA1\PB1\PC1这样的，端口GPIO_Pin一样的，只能选1个作为中断引脚。所以如果有多个中断引脚，要选择不同的Pin的引脚，比如PA6\PA7和PB15\PB0\PB1这样的都可以。

通道数：16个GPIO_Pin，外加PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒、以太网唤醒共20个中断线路。

触发响应方式：中断响应/事件响应（中断响应是正常流程，引脚电平变化触发中断；事件响应不会触发中断，而是触发别的外设操作，属于外设之间的联合工作）

EXTI基本结构

首先最左边是GPIO口的外设，比如GPIOA、GPIOB、GPIOC等等，每个GPIO外设都有16个引脚，所以进来16根线，那我们刚才说了，EXTI模块只有16个GPIO的通道，但这里每个GPIO外设都有16个引脚，如果每个引脚占用一个通道，那EXTI的16个通道显然是不够用的，所以在这里会有一个AFIO中断引脚选择的电路模块，这个AFIO就是一个数据选择器，它可以在这前面3个GPIO外设的16个引脚里选择其中一个连接到后面的EXTI的通道里，所以前面说，相同的Pin不能同时触发中断，因为对于PA0、PB0、PC0这些，通过AFIO选择之后，只有一其中一个能接到EXTI的通道0上，同理，PA1、PB1、PC1这些，也只能有一个，连接到通道1上。这就是所有GPIO口都能触发中断，但相同的Pin不能同时触发中断的原因。

然后通过AFIO选择之后的16个通道，就接到了EXTI边沿检测及控制电路上，同时，下面这4个蹭网的外设（PVD\RTC\USB\ETH）也并列接进来，这些加起来就组成了EXTI的20个输入信号。

然后经过EXTI边沿检测电路之后，分为了两种输出，其中接到了NVIC的这些，是用来触发中断的。（这里注意下，本来20路输入，应该有20路中断的输出，但是可能ST公司觉得这20个输出太多了，比较占用NVIC的通道资源，所以就把其中外部中断的9~5和15~10，给分到了一个通道里，也就是说，外部中断的9~5会触发同一个中断函数，15~10也会触发同一个中断函数，在编程的时候，我们在这两个中断函数里，需要再根据标志位来区分到底是哪个中断进来的）；另外一种输出，是有20条输出线路接到了其他外设，这就是用来触发其他外设操作的，也就是我们刚才说的事件响应。

AFIO复用IO口内部电路图

在STM32中，AFIO主要完成两个任务：

1.中断引脚选择。

2.复用功能引脚重映射。

复用功能引脚重映射就是我们最开始提到的引脚定义表，当我们想把引脚的默认复用功能的引脚换到重定义的这个位置来，就是用AFIO来完成的，这也是AFIO的一大主要功能。

EXTI内部框图

20根输入线首先进入边沿检测电路，在上面的上升沿寄存器和下降沿寄存器可以选择上升沿触发、下降沿触发和双边沿触发。

接着触发信号就进入到了或门的输入端了，在或门输入端这里，硬件出发和软件中断寄存器的值接到这或门上，也就是任意一个为1，或门就可以输出1，所以我们说EXTI支持的触发方式是上升沿、下降沿、双边沿和软件触发。

触发信号通过这个或门之后，就兵分两路，上一路是触发中断的，下一路是触发事件的。

触发中断会首先会置一个挂起寄存器，这相当于一个中断标志位了，我们可以读取这个寄存器判断是哪个通道触发的中断，如果中断挂起寄存器置1，触发信号就会继续想左走和中断屏蔽寄存器共同进入一个与门，然后到NVIC中断控制器。这里的与门实际上的作用就是开关，相当于中断屏蔽器寄存器给1，那另一个输入就是直接输出，也就是允许中断；中断屏蔽寄存器给0，那另一个输入无论是什么输出都是0，相当于屏蔽了这个中断。

触发事件，首先也是一个事件屏蔽寄存器进行开关控制，最后通过一个脉冲发生器到其他外设。这个脉冲发生器就是给一个电平脉冲，同来触发其他外设的动作。

这上面是外设接口和APB总线，我们可以通过总线来访问这些寄存器。

这些就是EXTI的内部结构了。

旋转编码器介绍

旋转编码器：用来测量位置、速度或旋转方向的装置，当其旋转轴旋转时，其输出端可以输出与旋转速度和方向对应的方波信号，读取方波信号的频率和相位信息即可得知旋转轴的速度和方向/

类型：机械触点式/霍尔传感器式/光栅式/

在我们套件内，使用的是第二种旋转编码器。

编码盘是一系列想光栅一样的东西，只不过这些不是光栅，而是金属触点，在旋转时，一次接通和断开两边的触点。并且，还有个关键的部分是，这个金属盘的位置是经过设计的，它能让两侧触点的通断产生一个90度的相位差，最终配合一下外部电路，这个编码器的两个输出就会输出这样的波形：

这样，正转和反转就可以区分开了，这种相位相差90度的波形叫做正交波形，带正交波形信号输出的编码器，是可以用来测方向的。

旋转编码器硬件电路

左边是旋转编码器的内部电路图，上面按键的两根线，这个模块是并没有使用，所以悬空，下面的这里就是编码器内部的两个触点，旋转轴旋转时，这两个触点以相位差90度的方式交替导通，因为这只是个开关信号，所以要配合外围电路才能输出高低电平。

右边是我们在使用这个模块的时候，上面的VCC、GND接电源，下面的A相输出和B相输出接到STM32的两个引脚上，比如PB0和PB1，注意引脚的GPIO_Pin编号不要一样就行。