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如何開發(fā)嵌入式中斷控制系統(tǒng)?

發(fā)布人:美男子玩編程 時(shí)間:2023-12-18 來源:工程師 發(fā)布文章

在嵌入式開發(fā)過程中,中斷處理是一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。本篇博文將以STM32微控制器為核心案例,深入解析中斷處理在MCU開發(fā)中的關(guān)鍵步驟和策略。

主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):

  • 中斷向量表。

  • NVIC(內(nèi)嵌向量中斷控制器)。

  • 中斷使能。

  • 中斷服務(wù)函數(shù)。

通過這篇博文,讀者將獲得對STM32 MCU中斷處理流程和邏輯的全面理解。

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中斷向量表

中斷向量表是關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用于存儲(chǔ)中斷服務(wù)程序的入口地址,這些地址被稱為中斷向量。具體來說,當(dāng)一個(gè)中斷發(fā)生時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到中斷向量表中對應(yīng)的地址,從而執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序(函數(shù))。這個(gè)表由半導(dǎo)體制造商預(yù)先定義,確保每個(gè)中斷都有一個(gè)唯一的入口地址。

在程序架構(gòu)中,中斷向量表位于最前面,起到了連接硬件中斷信號和相應(yīng)處理程序的橋梁作用。中斷向量表在整個(gè)程序的最前面,比如 STM32F103 的中斷向量表如下所示:


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中斷向量表都是鏈接到代碼的最前面,比如一般 ARM 處理器都是從地址 0X00000000 開始執(zhí)行指令的,那么中斷向量表就是從 0X00000000 開始存放的。代碼第 1 行的“__initial_sp”就是第一條中斷向量,存放的是棧頂指針,接下來是第 2 行復(fù)位中斷復(fù)位函數(shù) Reset_Handler 的入口地址,依次類推,直到第 27 行的最后一個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)DMA2_Channel4_5_IRQHandler 的入口地址,這樣 STM32F103 的中斷向量表就建好了。

雖然ARM處理器默認(rèn)從地址0X00000000開始執(zhí)行程序,但在學(xué)習(xí)STM32時(shí),我們通常將代碼下載到從0X8000000地址開始的存儲(chǔ)區(qū)域。這一做法似乎與處理器的初始執(zhí)行地址不符,看起來可能導(dǎo)致錯(cuò)誤。然而,為了解決這一潛在問題,Cortex-M架構(gòu)引入了中斷向量表偏移的概念。這使得開發(fā)者可以將中斷向量表放置在任何所需的地址位置。中斷向量表的具體偏移配置是在'SystemInit'函數(shù)中完成的,方法是向SCB_VTOR寄存器寫入新的中斷向量表首地址。這種靈活的配置方式有效地克服了初始地址和程序存儲(chǔ)地址之間的潛在沖突,確保了中斷處理的正確進(jìn)行。

代碼如下所示:


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第 8 行和第 10 行就是設(shè)置中斷向量表偏移,第 8 行是將中斷向量表設(shè)置到 RAM 中,第10 行是將中斷向量表設(shè)置到 ROM 中,基本都是將中斷向量表設(shè)置到 ROM 中,也就是地址0X8000000 處。第 10 行用到了 FALSH_BASE 和 VECT_TAB_OFFSET,這兩個(gè)都是宏,定義如下所示:



#define FLASH_BASE ((uint32_t)0x08000000)#define VECT_TAB_OFFSET 0x0

因此第 10 行的代碼就是:SCB->VTOR=0X080000000,中斷向量表偏移設(shè)置完成。

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NVIC(內(nèi)嵌向量中斷控制器)

NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)是ARM Cortex-M微控制器的一個(gè)關(guān)鍵組件,用于管理中斷。各個(gè)芯片廠商在設(shè)計(jì)芯片的時(shí)候會(huì)對Cortex-M內(nèi)核里面的NVIC進(jìn)行裁剪,把不需要的部分去掉,所以說STM32的NVIC是Cortex-M3的NVIC 的一個(gè)子集。


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其主要功能包括:

  • 中斷優(yōu)先級管理:NVIC允許為每個(gè)中斷分配不同的優(yōu)先級。這樣,當(dāng)多個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí),處理器可以根據(jù)優(yōu)先級來確定處理的順序,確保更重要的任務(wù)得到優(yōu)先處理。

  • 嵌套中斷處理:NVIC支持中斷的嵌套。這意味著一個(gè)高優(yōu)先級的中斷可以打斷一個(gè)低優(yōu)先級的中斷服務(wù)例程,使得系統(tǒng)能夠及時(shí)響應(yīng)更緊急的任務(wù)。

  • 向量化中斷處理:每個(gè)中斷都有一個(gè)唯一的向量地址,該地址指向相應(yīng)的中斷服務(wù)例程。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí),處理器可以直接跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)例程,無需通過傳統(tǒng)的中斷查詢方式,從而提高了處理速度。

  • 中斷屏蔽與啟用:NVIC允許程序動(dòng)態(tài)地使能或禁用特定中斷。這種靈活性使得系統(tǒng)可以在不同的操作環(huán)境下,根據(jù)需要調(diào)整其中斷響應(yīng)。

  • 中斷掛起與恢復(fù):NVIC能夠掛起正在執(zhí)行的中斷,并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候恢復(fù)中斷的處理。這對于管理復(fù)雜的中斷場景尤為重要。

  • 中斷狀態(tài)管理:NVIC提供接口來查詢中斷的狀態(tài),例如檢查哪些中斷處于掛起狀態(tài)或哪些中斷正在被處理。這有助于更好地理解和控制系統(tǒng)的行為。

  • 低功耗模式支持:在低功耗模式下,NVIC可以幫助處理器在接收到中斷信號時(shí)喚醒,這對于節(jié)能和延長電池使用壽命至關(guān)重要。

  • 系統(tǒng)復(fù)位管理:NVIC還負(fù)責(zé)處理來自系統(tǒng)的復(fù)位請求,確保系統(tǒng)能夠在出現(xiàn)問題時(shí)安全地重新啟動(dòng)。

通過查看STM32 NVIC寄存器,可以更清晰的解NVIC的主要功能:



















/**  中斷   NVIC 結(jié)構(gòu)體定義 */typedef struct{  __IO uint32_t ISER[8];                 /*!<offset: 0x000="" 中斷使能寄存器="" *="" uint32_t RESERVED0[24];                                     __IO uint32_t ICER[8];                 /*!<offset: 0x080="" 中斷清除寄存器="" *="" uint32_t RSERVED1[24];                                      __IO uint32_t ISPR[8];               /*!<offset: 0x100="" 中斷使能懸起寄存器="" *="" uint32_t RESERVED2[24];                                     __IO uint32_t ICPR[8];                 /*!<offset: 0x180="" 中斷清除懸起寄存器="" *="" uint32_t RESERVED3[24];                                      __IO uint32_t IABR[8];               /*!<offset:0x200 中斷有效位寄存器="" *="" uint32_t RESERVED4[56];                                     __IO uint8_t  IP[240];                 /*!< Offset: 0x300  中斷優(yōu)先級寄存器 (8Bit wide) */  uint32_t RESERVED5[644];                                    __O  uint32_t STIR;                    /*!< Offset: 0xE00  軟件觸發(fā)中斷寄存器     */}  NVIC_Type;

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中斷使能

中斷使能是指允許特定的中斷源向處理器發(fā)出中斷請求的過程。當(dāng)一個(gè)中斷被使能后,如果相應(yīng)的事件發(fā)生(如外部信號、定時(shí)器溢出等),中斷控制器會(huì)捕捉到這個(gè)事件,并通知處理器中斷程序需要被執(zhí)行。

中斷使能通常通過設(shè)置特定的控制寄存器來完成。這些寄存器可能是微控制器的一部分,也可能位于外部設(shè)備中。通過編寫特定的值到這些寄存器,可以選擇性地使能或禁用特定的中斷。

要使用某個(gè)外設(shè)的中斷,肯定要先使能這個(gè)外設(shè)的中斷,以 STM32F103 的 PE2 這個(gè) IO 為例,假如我們要使用 PE2 的輸入中斷肯定要使用如下代碼來使能對應(yīng)的中斷:






NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI2_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0x02; //搶占優(yōu)先級 2,NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0x02;        //子優(yōu)先級 2NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;              //使能外部中斷通道NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

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中斷服務(wù)函數(shù)

中斷服務(wù)函數(shù)是響應(yīng)中斷的專門函數(shù)。當(dāng)特定的中斷事件發(fā)生時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用對應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)來處理該事件。

當(dāng)中斷發(fā)生時(shí),處理器暫停當(dāng)前正在執(zhí)行的任務(wù),保存當(dāng)前任務(wù)的上下文(如寄存器狀態(tài)),然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)函數(shù)執(zhí)行中斷處理。一旦中斷處理完成,處理器恢復(fù)之前任務(wù)的上下文,并繼續(xù)執(zhí)行被中斷的任務(wù)。


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同樣以 STM32F103 的 PE2 為例,其中斷服務(wù)函數(shù)如下所示:






/* 外部中斷 2 服務(wù)程序 */void EXTI2_IRQHandler(void){    /* 中斷處理代碼 */}

當(dāng) PE2 引腳的中斷觸發(fā)以后就會(huì)調(diào)用其對應(yīng)的中斷處理函數(shù) EXTI2_IRQHandler,我們可以在函數(shù) EXTI2_IRQHandler 中添加中斷處理代碼。

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