1.中断
中断的基本概念
中断相当是对于突发事件的处理过程。当遇到内部/外部的紧急事件需要处理时,暂时中止当前程序,转而去处理紧急事件,待处理完毕后,再返回被打断的程序继续向下运行。
中断的意义
首先中断是一个突发事件,在执行主程序的同时能对突发事件做出实时处理,实现程序的并行化(时间片),进而提高CPU的工作效率。如果等待程序执行完毕再去执行中断,会影响操作系统的实时性。
面试题时间片了解吗?
时间片轮状调度是一种常见的调度算法,其原理是将所有就绪状态的进程按照随机顺序分配一个时间片,每个进程只在时间片内执行,时间片到就被挂起,以便给其他进程机会。
什么是并行化?再STM32中,程序的并行化是指通过使用中断机制,使得当发生突发事件时,可以立即处理该事件,而不需要等待当前正在执行的程序完成。
传统的程序执行方式是顺利执行,即按照代码的顺序逐行执行。这种方式存在一个问题,即当程序执行某个任务时,如果发生了突发事件,程序需要等待当前任务执行完毕才能响应事件。这可能导致事件处理延迟,影响系统的响应速度。
而使用中断机制可以解决这个问题。当发生突发事件时,比如外部输入信号触发的中断,系统会立即打断当前正在执行的程序,转而执行与该事件相关的中断服务函数。中断服务函数可以快速响应事件并处理相应的逻辑,而无需等待当前任务的完成。
通过这种方式,程序的执行可以再某个任务被打断的同时,立即响应其他突发事件。这样就实现了程序的并行化处理,提高了系统的响应速度和效率。
中断的处理过程
- 主程序正在运行
- 中断发生进入中断,中断产生后,处理会自动保存当前程序的状态和参数到堆栈中。
- 根据中断向量跳转到相应的中断服务程序。
- 执行中断服务程序
- 执行完毕,返回主程序,拿回状态和参数继续向下执行。
1.
京海旧厂街老默正在杀鱼 (正常的执行程序)
2.
小虎找到老默跟他说强哥想吃鱼了 (产生了一个外部中断的信号)
3.
老默放下手里没杀完的鱼 ,把鱼放进了冰箱里 (保护现场,保存程序的当前状态)
4.
去强哥家领任务 (根据异常向量表进行跳转)
5.
做了李有田 (执行中断程序)
6.
回到市场接着杀没杀完的鱼 (栈恢复现场,继续执行主程序)
中断的体系结构
中断和异常的区别
中断和异常指的是当发生某些事件的时候,处理器改变当前正在执行的程序,转而去响应中断或者异常的情况,无论是中断还是异常都会打断CPU的正常工作,中断和异常处理器都有相应的中断/异常服务程序。
异常:通常是由处理器内部导致的,大多数源于内部事件,多是一些软件上的错误。
中断:由外部事件引起,通过中断通道将外部的信号送入到处理器内部,再由CPU进行处理,大多数都是由硬件引起的。
2.NVIC
简介
嵌套向量中断控制器(NVIC),和内核捆绑在一起,NVIC和处理器内核接口紧密配合,可以实现低延迟的中断处理和晚到中断的高效处理,包括内核异常在内的所有中断均通过NVIC进行管理。
主要功能
管理中断事件
当多个中断事件同时到达时,NVIC先将优先级较低的中断设置为挂起状态当中断执行完成时,NVIC会将中断事件置为清除状态。
支持中断和异常的向量化处理
当中断或异常发生时,处理器会将PC(程序计数器)设定到一个指定地址(中断事件入口函数的地址),进而跳转到指定地址进行执行,这个地址就是所谓的异常向量。因为每一个异常源或者中断事件都会对应一个服务程序的入口地址,将这些地址按照优先级进行排布后,组成的一张表就称为中断向量表。
数值越小优先级越高,复位的优先级最高,三个固定的优先级
支持中断嵌套
要启动中断嵌套,首先需要在NVIC模块中配置中断优先级。每个中断都有一个相应的优先级,中断嵌套使得某个中断能够打断正在执行的较低优先级中断,从而及时响应反应更高优先级的中断请求。
抢占优先级:抢占优先级决定了中断能否打断当前正在执行的中断服务程序,若一个新的中断的抢占优先级高于当前中断,否则它会立即抢占CPU控制权,中断当前中断的执行,转而处理新中断。
响应优先级(次优先级):响应优先级在抢占优先级相同的情况下生效,当多个中断同时到达且抢占优先级相同时,系统会优先处理响应优先级高的中断。
NVIC的中断优先级由优先级寄存器4位(0-15)决定,这四位可以进行切分,分为高n位的抢占式优先级和低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均相同,按照中断向量号进行排队。
中断向量号是计算机系统中用于标识不同中断和异常的唯一编号,也称为中断向量号(Interrupt Vector Number),通常用一个整数来表示,范围是0~255.每个中断向量号对应一个特定的中断类型或异常情况。处理器通过中断向量向量号可以快速定位到对应的中断门描述符或陷阱描述符,从而跳转到相应的中断处理程序或异常处理程序。
NVIC是处理器内部的期间,在外部的信号送入NVIC之前,需要进行初步的筛选,由EXTI进行。
3.EXTI(外部中断和事件控制器)
简介
EXTI相当于小助理的小助理
NVIC和内核捆绑在一起,EXTI在外部负责事件和中断的初步筛选,专门用来管理产生中断和事件。
中断和事件的区别?
中断:只要是中断就能够打断CPU正常工作。
事件:送给外设或者外部设备的信号,本质就是IO口的电平信号。
EXTI主要特性
EXTI主要特性如下:
- 支持26个输入事件
- 所有事件输入都可以唤醒系统。
- 对于在外设中没有关联唤醒标志的事件,均在EXTI中有一个标志,并且会从EXTI生成一个CPU中断。
- 事件可用于生成CPU唤醒事件。
可配置事件具有以下特性:
可选择的有效触发边沿
独立于上升沿和下降沿的中断挂起状态寄存器位
独立的中断和事件生成屏蔽器,用于调节CPU唤醒,中断和事件生成
支持软件触发
安全事件,对安全输入事件的控制和配置位的访问可设为安全和/或特权访问
EXTIIO端口选择
主要功能
1.产生中断信号
产生中断信号的目的:将信号送到NVIC。进而运行相关的中断服务程序,实现对应的功能
2.产生事件
产生事件信号的目的:将采集到的信号送到某个外设,进而驱动相关的设备做出动作,是电路级 别的传输,属于硬件级。
EXTI外部处理流程
1.信号输入口:EXTI最多可以产生26个外部事件或者中断请求
2.边沿检测电路:用于检测上升沿或下降沿信号。
3.它会根据上升沿触发选择寄存器(EXTI_RTSR)和下降沿触发选择寄存器(EXTI_FTSR)对应位的设置来控制信号触发。边沿检测电路以输入线作为信号输入端,监测是否有边沿跳变,检测到有边沿跳变输出有效信号1给或门,否则输出无效信号0.
4.软件中断事件寄存器:对应的位控制软件中断事件,输出0/1
5.或门,或1为1
6.两个与门,事件/中断屏蔽器掌管信号让不让你过去
7.挂起请求寄存器:挂起产生的中断交由内部的NVIC去处理
4.中断实验
外部中断实验(按键中断)
实验要求
使用按键控制LED灯(PC4)
实验流程
1.将PC9引脚设置为外部中断(EXIT)----设置为下降沿触发。
2.打开EXTI的中断。3.按键被按下触发中断。
4.在中断服务程序中反转LED的电平状态。
MX配置
- 开启PC9
- 开启中断
寻找中断回调函数
代码编写
串口中断实验(内部中断)
串口发送中断
实验要求
主程序发送一串字符串,发一个hello PC,触发中断后,中断回调函数里面打印一个数据发送成功
MX配置
寻找串口中断的函数接口
代码编写
- 以中断的形式开启串口发送
- 串口发送的中断回调函数
串口接收中断
定长接收
- 开启定长接收中断
- 编写定长接收的回调函数
不定长接收(空闲线中断)
当接收到数据之后会触发串口中断但是你确定不了,发送方是否发完数据,所以在接收中断的基础上加了一个空闲线的中断,使用空闲线中断确定数据是否传输完成,数据传输完成之后,就可以处理数据了
- 开启不定长接收
- 不定长接收的回调
/* USER CODE BEGIN Header */ /** ****************************************************************************** * @file : main.c * @brief : Main program body ****************************************************************************** * @attention * * Copyright (c) 2026 STMicroelectronics. * All rights reserved. * * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file * in the root directory of this software component. * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS. * ****************************************************************************** */ /* USER CODE END Header */ /* Includes ------------------------------------------------------------------*/ #include "main.h" #include "usart.h" #include "gpio.h" /* Private includes ----------------------------------------------------------*/ /* USER CODE BEGIN Includes */ #include <stdio.h> /* 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 SystemPower_Config(void); /* USER CODE BEGIN PFP */ /* USER CODE END PFP */ /* Private user code ---------------------------------------------------------*/ /* USER CODE BEGIN 0 */ uint8_t Rx_buf[32]; /* 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(); /* Configure the System Power */ SystemPower_Config(); /* USER CODE BEGIN SysInit */ /* USER CODE END SysInit */ /* Initialize all configured peripherals */ MX_GPIO_Init(); MX_USART1_UART_Init(); /* USER CODE BEGIN 2 */ //以中断的形式发送数据 HAL_UART_Transmit_IT(&huart1,"hello PC",8); //开启定长接收 //HAL_UART_Receive_IT(&huart1,Rx_buf,5); //开启不定长接收 HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart1,Rx_buf,32); /* USER CODE END 2 */ /* Infinite loop */ /* USER CODE BEGIN WHILE */ while (1) { printf("12345\n"); HAL_Delay(500); /* 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 */ if (HAL_PWREx_ControlVoltageScaling(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE4) != HAL_OK) { Error_Handler(); } /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks */ RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_MSI; RCC_OscInitStruct.MSIState = RCC_MSI_ON; RCC_OscInitStruct.MSICalibrationValue = RCC_MSICALIBRATION_DEFAULT; RCC_OscInitStruct.MSIClockRange = RCC_MSIRANGE_4; RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE; if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK) { Error_Handler(); } /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks */ RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2 |RCC_CLOCKTYPE_PCLK3; RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_MSI; RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; RCC_ClkInitStruct.APB3CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1; if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK) { Error_Handler(); } } /** * @brief Power Configuration * @retval None */ static void SystemPower_Config(void) { /* * Disable the internal Pull-Up in Dead Battery pins of UCPD peripheral */ HAL_PWREx_DisableUCPDDeadBattery(); /* USER CODE BEGIN PWR */ /* USER CODE END PWR */ } /* USER CODE BEGIN 4 */ int fputc(int ch,FILE *p) { //等待TDR为空 while(!(USART1->ISR & (1 << 7))); USART1->TDR = ch; return ch; } void HAL_GPIO_EXTI_Falling_Callback(uint16_t GPIO_Pin) { //判断哪一个引脚产生的中断信号 if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_9) { //反转电平 HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_4); HAL_Delay(5); } } //发送完成的中断回调 void HAL_UART_TxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) { if(huart == &huart1) { printf("Data send successed\n"); } } ////定长接收的中断回调 //void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) //{ // if(huart == &huart1) // { // printf("Rx_buf = %s\n",Rx_buf); // } //} //串口不定长接收回调 void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size) { if(huart == &huart1) { printf("Rx_buf = %s\n",Rx_buf); } HAL_UARTEx_ReceiveToIdle_IT(&huart1,Rx_buf,32); } /* 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 */ __disable_irq(); while (1) { } /* 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, ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */ /* USER CODE END 6 */ } #endif /* USE_FULL_ASSERT */