中断

在嵌入式开发中，中断（Interrupt）是一种机制，可以使处理器暂停当前执行的任务，去处理一个紧急或高优先级的事件。中断机制能帮助嵌入式系统快速响应外部或内部的事件，提升实时性能和效率。

基本概念

中断是由硬件或软件事件触发的一种信号，用于打断处理器的当前流程，使其快速跳转到指定的 中断服务程序（ISR），以便处理特定事件。当 ISR 执行完毕，处理器会返回并继续执行被打断的任务。

中断的分类

中断大体可以分为以下几类：

• 外部中断：由外部硬件触发，例如按钮、传感器、计数器等。这类中断通常用于捕获外部事件。
• 内部中断：由处理器或外设内部事件触发，如定时器溢出、ADC 转换完成、串口数据接收等。
• 软件中断：通过软件指令触发的中断，用于实现特定的软件功能或系统调用。

中断的工作原理

中断的基本工作流程如下：

1. 中断请求：中断源（如外设或软件）产生中断请求信号。
2. 中断响应：处理器停止当前任务，并保存当前状态（如程序计数器和寄存器等）。
3. 执行 ISR：处理器跳转到对应的中断服务程序，执行中断处理代码。
4. 恢复执行：ISR 执行完成后，处理器恢复之前保存的状态，继续执行被打断的任务。

中断优先级和嵌套

在多中断系统中，中断的优先级决定了响应的先后顺序。中断的优先级可以进一步细分为不同的类型，以便更好地满足系统实时性和复杂性的需求。常见的中断优先级类型包括响应式优先级、抢占式优先级和自然优先级。

• 响应式优先级：响应式中断优先级指的是，中断的处理根据固定优先级顺序进行，不支持中断的嵌套或抢占；在多个中断发生时，优先响应高优先级的中断，直到 ISR 完成才响应下一个中断。
• 抢占式优先级：抢占式中断优先级允许高优先级中断打断低优先级中断的执行;
• 自然优先级：自然优先级是一种基于中断向量表的优先级机制，自然优先级实际上是中断向量表的序号，序号越小优先级越高。

无论是抢占优先级还是响应优先级，都是用数值表示的，数值越小，优先级越高。

中断向量表

中断向量表存储了各个中断服务程序的入口地址。每个中断源都有一个固定的入口地址。当发生中断时，处理器通过中断向量表找到相应 ISR 的地址并跳转执行。

中断服务程序（ISR）

中断服务程序用于处理中断事件的具体逻辑。设计 ISR 时需要注意以下几点：

• 简短高效：ISR 应该尽量简洁，避免长时间运行，减少对主程序的影响。
• 避免阻塞操作：ISR 中不适合使用延时、复杂计算或等待操作，以避免影响系统的实时性。
• 使用中断标志位：很多中断事件触发后会设置特定的标志位，ISR 中通常需要检查和清除标志位，以防止重复触发。

事件

事件是一种简化的触发机制，通常用于在不需要中断服务程序（ISR）的情况下唤醒处理器或触发某些外设的操作。事件不会打断当前的程序执行，也不会跳转到一个特定的中断服务程序。因此，事件的处理方式更加轻量，也没有优先级之分。

NVIC

NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中断控制器）是 ARM Cortex-M 系列微控制器内核中的一个重要模块，负责管理和控制中断请求的响应和优先级处理。

优先级分组

优先级分组机制是一种在嵌入式系统中管理中断优先级的方式，它允许系统在中断的抢占优先级和子优先级（响应式优先级）之间进行分配，以更灵活地控制中断响应顺序。ARM Cortex-M 系列处理器通过嵌套向量中断控制器（NVIC）提供了优先级分组机制，使得在处理多种中断时可以实现更高的系统实时性和响应能力。

在 Cortex-M 架构中，中断优先级通过嵌套式向量型中断控制器（NVIC）进行配置；在 Cortex-M4 中使用 4 位来设置优先级；常见分组如下：

优先级分组	抢占优先级位数	子优先级位数	优先级分组类型描述
0	4	0	全抢占优先级，没有子优先级
1	3	1	3 位抢占优先级，1 位子优先级
2	2	2	2 位抢占优先级，2 位子优先级
3	1	3	1 位抢占优先级，3 位子优先级
4	0	4	没有抢占优先级，全部为子优先级

举例：在 4 位抢占优先级、0 位子优先级的情况下，抢占优先级可以使用 0 到 15 之间的值进行设置；因为他占了四个字节。

回调函数

回调函数是一种将函数作为参数传递给另一个函数的编程技术。回调函数的作用是：允许一个函数在完成某些特定任务后，通过调用另一个“回调”函数来通知调用方任务完成，或执行特定的后续操作。

在中断处理中，我们不可以帮用户做决定，所以我们在中断中无法预知客户要做的事情是什么，这时候就可以使用回调函数；

中断

ARM Cortex-M 系列中断分为三类：

• 系统异常（System Exceptions）：
  • 内核自带的异常，例如复位（Reset）、不可屏蔽中断（NMI）、硬故障（Hard Fault）等。优先级较高，通常用于处理系统级的错误和状态。
• 外部中断（External Interrupts）：
  • 由外设（如 GPIO、UART、定时器等）产生的中断，通过 NVIC 进行管理。这些外部中断优先级由用户定义，响应外部事件，例如按钮按下、数据接收完成等。
• 软件中断（Software Interrupts）：
  • 由软件触发的中断，用于在代码中人为产生中断以实现特定功能，如任务调度或操作系统中的上下文切换。

EXTI（外部中断）

EXTI（External Interrupt/Event Controller，外部中断/事件控制器）主要作用是捕获外部中断/事件。

EXTI 负责检测和生成中断事件，而 NVIC 负责管理和调度中断的响应。

EXTI 的结构与工作流程：

1. EXTI Line0~22：

• EXTI 控制器提供了多个外部中断线（Line0~Line22），这些线可以连接到外部设备或者 GPIO 引脚。
• 每一条 EXTI 线可以设置为边沿检测，即检测上升沿或下降沿的信号变化。

2. 极性控制：

• 用于设置信号的触发极性。可以选择触发上升沿、下降沿，或者两者都触发。
• 极性控制模块通过设置不同的极性，控制边沿检测器检测信号变化的类型。

3. 边沿检测：

• 边沿检测模块用于检测外部信号的变化。根据极性控制的设定，这里可以检测上升沿、下降沿，或者两者都检测。
• 当检测到符合设定的边沿信号时，将触发后续的中断或事件。

4. 软件触发：

• 软件触发模块允许通过编程来触发 EXTI 中断，而不依赖外部信号。
• 通过软件触发，程序可以手动生成中断或事件，适用于某些特殊的控制场景。

5. 中断屏蔽控制：

• 中断屏蔽控制模块用于控制 EXTI 信号是否生成中断。
• 当中断屏蔽控制允许时，检测到的边沿信号将触发中断信号并传输给 NVIC。

6. 事件屏蔽控制：

• 事件屏蔽控制模块用于控制 EXTI 信号是否生成事件。
• 当事件屏蔽控制允许时，检测到的边沿信号将触发一个事件，用于系统内部的其他功能模块，如低功耗模式下的唤醒。

7. 事件产生：

• 事件产生模块在满足边沿检测条件时产生事件。事件不同于中断，它不会直接引发 NVIC 的中断请求，而是用于系统的其他用途，比如唤醒单元等。

8. 至 NVIC：

• 如果边沿检测模块检测到外部信号符合设定的条件，并且中断屏蔽控制允许，则通过 NVIC 触发中断服务程序。

9. 至唤醒单元：

• 如果边沿检测满足条件且事件屏蔽控制允许，则可以触发事件产生，用于唤醒单元。
• 该功能主要在低功耗模式下使用，用于处理待机或睡眠模式下的唤醒需求。

中断和事件是独立控制的，可以通过配置相应的寄存器来独立启用或屏蔽中断和事件。

• 若只开启中断屏蔽而屏蔽事件，则只会产生中断，不会产生事件。
• 若只开启事件屏蔽而屏蔽中断，则只会产生事件，不会产生中断。
• 若同时开启中断和事件屏蔽，那么信号变化时会同时产生中断和事件。

EXTI 编号与触发源

NVIC

NVIC 是处理器核心中的一个模块，负责接收和管理中断请求。它可以将多个中断请求进行排序，按优先级分配中断，决定何时和以何种优先级响应中断。

中断向量表

示例流程

假设一个按键连接到 GPIO 引脚，用来触发 EXTI 中断，流程如下：

1. EXTI 监测按键状态，检测到按键按下，生成一个中断请求并将其发送到 NVIC。
2. NVIC 检查优先级：如果该中断优先级足够高，NVIC 将立即响应此请求，暂停其他任务。
3. 执行中断服务程序：系统进入按键中断服务程序（ISR）进行处理，如记录按键状态或执行相应的功能。
4. 清除中断标志：在 ISR 中处理完毕后，清除 EXTI 的中断标志，以便下一次按键按下时可以重新触发中断。
5. 恢复正常运行：NVIC 将控制权交还给主程序或其他正在运行的任务。s

SYSCFG

SYSCFG（系统配置控制器）是 ARM Cortex-M 微控制器（如 STM32 系列）中的一个重要外设，负责配置系统的各种功能和引导外设的资源管理。

外部中断配置

• 引脚映射：SYSCFG 允许将外部 GPIO 引脚映射到 EXTI（外部中断）线。用户可以指定哪些引脚用于外部中断触发。
• 中断触发条件：支持设置中断触发条件（上升沿、下降沿、双边沿），以满足不同应用的需求。

MISC

MISC 是对嵌套向量中断控制器（NVIC）和系统定时器（SysTick）操作的软件包。

实现

功能：通过外部中断监听按钮按下和抬起的动作

硬件触发

// GPIO 配置
void GPIO_EXTI_Config(void) {
	//启用GPIOA外部时钟
	rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
	// 配置GPIO工作模式为复用模式
	gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_INPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_0);
	// 选择复用哪一个模式，这时候就需要去查看 中断不需要进行复用选择
	//gpio_af_set(GPIOA, uint32_t alt_func_num, uint32_t pin);
}

void EXTI_Config(void) {
	
	// 我们要使用外部中断功能，但是在端口复用配置中，却没有外部中断这个复用选项
	// 所以我们需要用其他的方法将这个引脚映射到 EXTI 上
	// 这里就要使用系统提供的配置工作：SYSCFG（系统配置控制器）
	
	// 任何配置前我们先要配置时钟，我们用到的功能是 EXTI，但是 EXTI 的功能依赖于 SYSCFG 的配置
	// 所以我们要先配置 SYSCFG 的时钟，我们通过 SYSCFG 将 GPIO 映射到 EXTI
    
	// 启用RCU_SYSCFG外部时钟
	rcu_periph_clock_enable(RCU_SYSCFG);	
	// 将引脚映射到 EXTI
	syscfg_exti_line_config(EXTI_SOURCE_GPIOA, EXTI_SOURCE_PIN0);
	
	// 中断处理需要用到 NVIC 所以还需要配置 NVIC
	// 使能 NIVC 请求，是来自什么的中断处理，优先级是什么样的
	nvic_irq_enable(EXTI0_IRQn, 2, 2);
	// 配置 EXIT，那个外部中断寄存器、是中断还是事件、触发方式是什么
    // 中断触发源
	exti_init(EXTI_0, EXTI_INTERRUPT, EXTI_TRIG_BOTH);
	// 使能外部中断
	exti_interrupt_enable(EXTI_0);	
}

// 编写外部中断处理函数
// 查找初始化文件，找到 EXTI0 的中断处理函数
void EXTI0_IRQHandler(void) {	
	if(SET == exti_interrupt_flag_get(EXTI_0)) {
		exti_interrupt_flag_clear(EXTI_0);
		printf("Hi,chulihanshu\n");	
	}
}

int main(void) {
    systick_config();
	GPIO_EXTI_Config();	
	EXTI_Config();
    while(1){		
	}
}
============================================================================
// 回调函数
// main.c
// 这是用户要做的事情    
void EXTI0_Callback(USART0_KEY_STATE state) {
	if(state) {
		printf("DOWN\n");
	} else {
		printf("UP\n");
	}
}  
// 将用户的操作作为参数传递过去
bsp_EXTI0_Callback(EXTI0_Callback);

// bsp_exti0.c
// 我们定义一个函数指针类型的变量，并初始化为 NULL;
void (*p_Callback)(USART0_KEY_STATE state) = NULL;
// 我们通过上面的这个变量接收用户传递过来的参数
void bsp_EXTI0_Callback(void (*p)(USART0_KEY_STATE state))	{
	
	p_Callback = p;
}

//在中断处理函数里面调用客户传过来的函数
void EXTI0_IRQHandler(void) {	
	if(SET == exti_interrupt_flag_get(EXTI_0)) {
		exti_interrupt_flag_clear(EXTI_0);
		// 我们不去帮用户做决定，让用户自己决定要干什么
		if(SET == gpio_input_bit_get(GPIOA, GPIO_PIN_0)) {

			if(p_Callback != NULL) {
				p_Callback(DOWN);
			} 				
		} else {
			if(p_Callback != NULL) {
				
				p_Callback(UP);
			}
		}
	}	
}
=========================================================================
 // 软件消抖
//1. 延时，手动减少中断函数响应的次数
void EXTI0_IRQHandler(void) {	
	if(SET == exti_interrupt_flag_get(EXTI_0)) {
		exti_interrupt_flag_clear(EXTI_0);
		// 我们不去帮用户做决定，让用户自己决定要干什么
		if(SET == gpio_input_bit_get(GPIOA, GPIO_PIN_0)) {

			if(p_Callback != NULL) {
				p_Callback(DOWN);
			} 				
		} else {
			if(p_Callback != NULL) {
				
				p_Callback(UP);
			}
		}
	}	
    delay_1ms(50);
}  
===============================================================
// 2.通过计数的方式来进行消抖
// 我们知道系统是通过滴答时钟来进行计数的
void delay_1ms(50)
{
    delay = count * 1;

    while(0U != delay) {
    }
}
void delay_decrement(void) {
    if(0U != delay) {
        delay--;
    }
}
// 通过上面这个不难看出，他的 50ms 记时是通过在 delay_decrement 中 delay-- 实现的；
// 也就是说 delay_decrement 这个函数调用一次就是 1ms，那我们可以通过这个函数的调用来计时
// 但是 ms 的时间太长了，我们需要 us 的时间，这里我们就需要将时间进行细化
// 我们在 main() 中通过 systick_config() 函数可以看到：
// SystemCoreClock 就是我们之前的外部高速晶振 8000000Hz
// 通过 SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000U) 这个函数可以定时触发异常
// 这里我们看到它默认是 1000Hmz 也就是 1ms,
// 我们需要将其改为 1us 也就是除以 1000000u
void systick_config(void) {
    /* setup systick timer for 1000Hz interrupts  */
    if(SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000U)) {
        /* capture error */
        while(1) {
        }
    }
    /* configure the systick handler priority */
    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0x00U);
}
// 改为=============================================
// 这样它就会在 1us 触发一次他的中断库函数 SysTick_Handler
void systick_config(void) {
    /* setup systick timer for 1000Hz interrupts  */
    if(SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000000U)) {
        /* capture error */
        while(1) {
        }
    }
    /* configure the systick handler priority */
    NVIC_SetPriority(SysTick_IRQn, 0x00U);
}
// 可以看到他的函数就是调用了 delay_decrement 也就是 1us 调用一次
void SysTick_Handler(void)
{
//    led_spark();
    delay_decrement();
}
//这时候我们就可以进行如下修改：
uint64_t delay = 0;
// 这样 cnt 就是 us
void delay_decrement(void) {
    cnt ++;
    if(0U != delay) {
        delay--;
    }
}
// 通过函数返回 us 的时间
uint64_t get_us() {
    return cnt;    
}
// 1us
void delay_1us(uint32_t count) {
    delay = count * 1;

    while(0U != delay) {
    }
}
// 1ms
void delay_1ms(uint32_t count){
    delay = count * 1000;

    while(0U != delay) {
    }
}
==============================================================
// 这样就可以将中断函数改为如下
// 该函数只会在 100us 触发一次
uint64_t pre_cnt 0;
void EXTI0_IRQHandler(void) {	
	if(SET == exti_interrupt_flag_get(EXTI_0)) {
        // 只能放在上面，否则不管是放在 if里面还是后面都会产生 bug
        exti_interrupt_flag_clear(EXTI_0);      
        // 100us 让他执行一次
        // 函数不会阻塞，让他 100us 执行一次
        // 按键物理抖动通常在 5ms 到 50ms 之间，
        uint64_t cur_cnt = get_us();
        if(cur_cnt - pre_cnt <= 100) {
            return ;
        }
        pre_cnt = cur_cnt;
        
		// 我们不去帮用户做决定，让用户自己决定要干什么
		if(SET == gpio_input_bit_get(GPIOA, GPIO_PIN_0)) {

			if(p_Callback != NULL) {
				p_Callback(DOWN);
			} 				
		} else {
			if(p_Callback != NULL) {
				
				p_Callback(UP);
			}
		}
	}	
}

步骤：

1. GPIO 的配置

• 主要外部中断不在 GPIO的复用选项中，我们需要通过其他方式将 GPIO 映射到 EXIT。

2. EXTI 配置

• GPIO 配置完成后，查看用户手册了解所使用的引脚属于那个中断源
• 使能 SYSCFG 外部时钟，将 GPIO 引脚映射到 EXTI
• 配置 NVIC
• 配置 EXIT，并使能

3. 编写中断处理函数

• NVIC 所对应的中断处理函数要到启动文件（.s）文件中去找
• 在编写时候注意查看用户手册，了解我们所使用的的中断源是否需要手动清除；

软件触发

#include "gd32f4xx.h"
#include "systick.h"
#include <stdio.h>
#include "Usart0.h"

// 该函数在 USART 的中断处理函数中进行调用
void Usart0_recv(uint8_t *data, uint32_t len) {
    printf("recv: %s\r\n", data);

    exti_software_interrupt_enable(EXTI_0);
}

static void EXTI_config() {
    uint32_t extix = EXTI_0; // 哪个中断
    uint32_t extix_irq = EXTI0_IRQn;

    /********************* EXTI config *********************/
    // 时钟配置
    rcu_periph_clock_enable(RCU_SYSCFG);
    // 中断初始化 因为是软件触发所以触发源就不需要选择上升或者下降沿了
    exti_init(extix, EXTI_INTERRUPT, EXTI_TRIG_NONE);
    // 配置中断优先级
    nvic_irq_enable(extix_irq, 1, 1);
    // 使能中断
    exti_interrupt_enable(extix);
    // 清除中断标志位
    exti_interrupt_flag_clear(extix);
}

// 中断函数
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    printf("IRQ \r\n");
    if(SET == exti_interrupt_flag_get(EXTI_0)) {
        printf("exti 0 \r\n");
        // 清除中断标志位
        exti_interrupt_flag_clear(EXTI_0);
    }
}

// UART0 中断处理函数
void USART0_IRQHandler(void) {
	// 有数据了
	if(SET == usart_interrupt_flag_get(USART0, USART_INT_FLAG_RBNE)) {
		usart_interrupt_flag_clear(USART0, USART_INT_FLAG_RBNE);		
		int8_t data =  usart_data_receive(USART0);		
		dataBuf[index] = data;
		index++;
	}
	
	if(SET == usart_interrupt_flag_get(USART0, USART_INT_FLAG_IDLE)) {
        // 清除 LDLE 中断标志位
        // 软件先读USART_STAT0，再读USART_DATA可清除该位。
        // usart_interrupt_flag_get 读取的就是 USART_STAT0 寄存器中的标志位
        // USART_STAT0 是状态寄存器，USART_DATA 为数据寄存器
		usart_data_receive(USART0); // 读数据寄存器，以清除 LDLE 中断标志位
        // 通过这个函数去调用 EXTI 的软件触发函数
        Usart0_recv(dataBuf, index);        
		index = 0;
	}	
}

int main(void) {
    systick_config();
    Usart0_init();
    EXTI_config();

    while(1) {
    }
}

问题

一·、在使用 EXTI 与 NVIC 时为什么不需要显示的开启外部时钟

因为这两个模块的工作原理和时钟管理与外部时钟的启用无关。

EXTI 是用于处理外部硬件事件（如按键、传感器、外部信号等）触发的中断。它本质上是一个由外部事件触发的信号，依赖于微控制器的输入引脚（如 GPIO）上的状态变化。

NVIC 本身并不依赖于外部时钟。NVIC 只是处理从不同外设或外部事件（如 EXTI）发出的中断请求。它的作用是管理中断的优先级、响应时间以及是否允许中断等，所有这些操作都基于内部时钟（通常是系统时钟或 APB 时钟）。所以，NVIC 与外部时钟并无直接关系。

二、通过计数消抖这时间如何确定

以波特率为 115200 bps 为例，假设数据帧格式为1 位起始位 + 8 位数据位 + 1 位停止位，总共 10 位：

也就是说我们延时的时间比这个大就可以了；

三、exti_interrupt_flag_clear(EXTI_0);，可能会产生的bug

当凑巧我们按下的时候 EXTI0_IRQHandler 中的条件 cur_cnt - pre_cnt <= 100 为真时，函数会直接 return，而 在返回前没有清除 EXTI 的中断标志位。在这种情况下，该中断标志位依然保持为 1，因此后续也不会再触发相同的中断。

因此我们应该在进入中断后第一时间清除标志位；