单片机（STM32-中断）

一、中断基础知识

1.概念

中断（Interrupt）是一种特殊的事件处理机制。当CPU正在执行主程序时，如果出现了某些紧急或重要的事件（如外设请求、定时器溢出等），可以暂时中止当前的程序，转而去处理这些事件，处理完毕后再返回原来的程序继续执行。

2.特点

(1)异步性

中断事件的发生是不可预测的，随时可能打断CPU正在执行的主程序。

处理方式是“随时响应”，而不是“定时检查”。

(2)优先级

多个中断源可以设置不同的优先级。

高优先级中断可以打断低优先级中断（嵌套中断）。

(3)自动性

中断响应和中断服务程序的调用由硬件自动完成，无需主程序干预。

CPU自动保存当前执行现场，跳转到中断服务程序（ISR）。

(4)高效性

只在有事件发生时才占用CPU资源，避免了无效的轮询，提高了系统效率。

(5)实时性

能够及时响应外部或内部的紧急事件，保证系统的实时性。

(6)可屏蔽性

某些中断可以通过软件设置屏蔽（禁止），防止其打断主程序或更高优先级中断。

(7)现场保护与恢复

响应中断时，CPU会自动保存当前程序的状态（如PC、寄存器等），中断服务程序执行完毕后自动恢复，继续原程序运行。

(8)中断服务程序简短

中断服务程序（ISR）一般要求短小精悍，只处理紧急任务，避免长时间占用CPU。

(9)多源性

一个系统可以有多个中断源（如外部引脚、定时器、串口、ADC等），每个中断源可独立配置和管理。

3.中断的优点

中断能够对突发事件进行及时处理，实现程序的并行化（时间片），进而提高CPU的工作效率。当发生突发事件时，比如外部触发的输入信号、定时器溢出等，中断会立即打断正在执行的程序，转而执行中断服务函数（ISR）来处理该事件。

中断的意义在于让系统能够高效、及时、自动地响应各种事件，提升系统的实时性、效率和可靠性，是现代嵌入式和计算机系统不可或缺的机制。

二、中断流程

1.中断事件发生

2.中断请求检测

3.CPU响应中断

4.跳转到中断服务程序

5.执行中断服务程序

6.清除中断标志

7.恢复现场

8.返回主程序

三、中断系统结构框图

1. 内核部分（左侧蓝色区域）

1.1 CORTEX-M0 内核指令执行单元

负责执行主程序和中断服务程序，是整个MCU的“核心大脑”。

1.2 FLASH中断向量表

存储中断向量表（即每个中断类型对应的服务程序入口地址），当中断发生时，内核会根据向量表跳转到对应的中断服务程序。

1.3 NVIC（嵌套向量中断控制器）

每一个中断事件都有执行或禁止两种状态，由NVIC负责将中断事件标记为清除和挂起两种状态。

挂起：中断事件已经发生，但是还没有被CPU响应和处理（中断标志位置0）

清除：清除操作是把中断的挂起标志位或中断标志位从1变为0，别是该终端已经被处理或不再需要处理。

作用：

(1)管理中断事件（清除、挂起）

(2)支持中断向量化处理（向量表）

中断向量化处理，就是每个中断源都有一个唯一的入口地址（即“向量”），当中断发生时，CPU会自动跳转到对应的中断服务程序（ISR）。

(3)支持中断嵌套 （优先级）

NVIC的中断优先级由优先级寄存器的4位（0~15）决定，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

1.4 系统定时器、CSS时钟安全系统等

这些是内核内部的特殊中断源，也会通过NVIC统一管理。

2. 片内外设部分（右侧黄色区域）

2.1 串口、定时器、I2C、EXTI等外设

这些是MCU内部的各种外设模块，每个外设都可以产生中断请求（如串口接收完成、定时器溢出、I2C通信完成、外部中断EXTI等）。

2.2 GPIO（通用输入输出口）

GPIO可以配置为外部中断输入（EXTI），用于响应外部事件（如按键、传感器信号）。

3. 中断流转过程

(1)外设产生中断请求（如串口收到数据、定时器溢出、I2C通信完成、外部引脚电平变化等）。

(2)中断请求送到NVIC，NVIC判断优先级、是否使能等。

(3)NVIC向内核发出中断信号，内核暂停当前任务，查找FLASH中的中断向量表，跳转到对应的中断服务程序（ISR）。

(4)ISR执行完毕后，内核恢复主程序。

四、EXTI（外部中断/事件控制器）

1. EXTI基础知识

1.1 概念

EXTI（External Interrupt/Event Controller，外部中断/事件控制器）是STM32等Cortex-M系列单片机中用于管理外部中断和事件的专用硬件模块。

1.2 EXTI其他特性

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

通道数：16个GPIO_Pin，外加PVD输出、RTC闹钟、USB唤醒、以太网唤醒等 26个输入事件

触发响应方式：中断响应/事件响应

1.3 EXTI的作用

(1)将外部引脚（如GPIO）上的信号变化转化为中断或事件，通知CPU及时响应外部世界的变化。但相同的Pin不能同时触发中断，就是同一时刻只能选择一个具体的引脚作为中断源。

(2)支持多种触发方式（上升沿、下降沿、双边沿）。

(3)可用于按键检测、外部传感器信号捕获、外部设备唤醒等场景。

1.4 EXTI的基本结构

(1)STM32的EXTI通常有16~23条中断线（EXTI0~EXTI22），每条线可连接到一个或多个(2)GPIO引脚。

(3)每条EXTI线都可以独立配置触发方式和中断使能。

1.5 EXTI的主要功能

(1)中断触发：当选定的GPIO引脚检测到设定的电平/边沿变化时，EXTI产生中断请求。

(2)事件触发：可用于唤醒低功耗模式等。

(3)软件触发：可通过软件模拟外部中断。

2.EXTI外部中断框架流程图

2.1 上升沿和下降沿：

1. 什么是上升沿和下降沿？

• 上升沿（Rising Edge）：

指数字信号从低电平（0）跳变到高电平（1）的那一瞬间。

• 下降沿（Falling Edge）：

指数字信号从高电平（1）跳变到低电平（0）的那一瞬间。

2. 什么时候产生？

• 当外部信号（如按键、传感器输出、通信信号等）发生电平变化时，就会产生上升沿或下降沿。

• 例如：

• 按下按键时，GPIO引脚电平从高变低，产生下降沿。

• 松开按键时，GPIO引脚电平从低变高，产生上升沿。

• 传感器输出信号变化时，也会产生沿。

3. 谁产生的？

• 沿的产生者是外部信号源，比如：

• 按键、开关

• 传感器

• 其他外部电路或设备

• MCU（如STM32）内部的边沿检测电路负责检测这些沿的出现，并据此触发中断或事件。

4. 在中断系统中的作用

• MCU的外部中断（EXTI）模块可以配置为对上升沿、下降沿或双边沿敏感。

• 当检测到配置的沿时，EXTI会产生中断请求，通知CPU去响应。

2.2 流程

1. 输入线（右侧①）

• 这是外部信号输入端，比如按键、传感器等外部设备的信号线，连接到MCU的某个GPIO引脚。

2. 边沿检测电路（②）

• 用于检测输入信号的变化类型（上升沿、下降沿或电平变化）。

• 可以通过配置，选择对哪种信号变化敏感。

3. 选择/采样寄存器（上升沿/下降沿/软件中断/事件）（③）

• 这些寄存器决定了哪些信号变化会被采样、记录，并进一步产生中断或事件。（是一个或门）

• 包括上升沿选择寄存器、下降沿选择寄存器、软件中断/事件寄存器等。

4. NVIC中断控制器（④）

• 这里是触发中断服务后交给NVIC进行响应
• 最终有效的中断请求会被送到NVIC（嵌套向量中断控制器），由NVIC统一管理中断优先级、分发中断服务。（是一个与门）

5. 脉冲发生器/事件屏蔽寄存器（⑤）

• 产生中断脉冲信号，或用于事件触发（如唤醒等）。

• 事件屏蔽寄存器决定哪些事件可以被传递。

6. 中断服务程序/其他硬件动作（左下⑥）

• NVIC通知CPU进入中断服务程序（ISR），进行相应处理。

• 或者触发其他硬件设备完成必要动作。

7. 挂起请求寄存器/中断屏蔽寄存器

• 挂起请求寄存器：当检测到有效的信号变化时，在这里置位，表示有中断请求待处理。
• 中断屏蔽寄存器：可以屏蔽（禁止）某些中断请求，只有未被屏蔽的请求才会继续传递。

五、EXTI和NVIC的关系

EXTI是中断的“产生者”，NVIC是中断的“管理者”

• EXTI负责检测外部信号的变化（如按键按下/松开），当检测到设定的触发条件（如上升沿、下降沿）时，向NVIC发送中断请求。

• NVIC接收到EXTI的中断请求后，根据中断优先级和使能状态，决定是否立即响应，并最终通知CPU跳转到对应的中断服务程序（ISR）。

六、实现按键中断

目标：使用按键实现控制风扇是否转动。

通过上面的学习我们可以发现，中断机制有点类似于“多路复用”。它将所有可能触发中断的外设或事件都登记在中断向量表中。当某个中断被触发时，系统会优先响应并处理该中断事件，主程序则暂时挂起等待。

这种机制为原本单线程、顺序执行的嵌入式系统带来了更多的灵活性，使其能够同时应对多种突发事件，从而实现许多原本难以实现的功能。

1.设置PC9为外部中断--下降沿感应

2.NVIC打开EXTI9中断

3.设置风扇为GPIO-OUT

4.找中断处理程序（找GPIO的回调函数）

5.在程序中切换风扇的状态

重写HAL_GPIO_EXTI_Falling_Callback函数，这是GPIO下降沿触发的回调函数，当有GPIO触发中断（下降沿）就会停止主程序先去运行回调函数内的程序。这里就是当触发点GPIO是按键的时候，就让风扇状态转变。

七、实现串口中断

1.先设置串口引脚

2.添加串口到中断

3.找串口的回调函数

4.找到函数：

前面加了weak说明是虚函数，可以重写，所以我们把函数复制到主函数的全局定义区域重写内容就可以。

4.1 回调函数：

weak void HAL_UARTEx_TxFifoEmptyCallback(UART_HandleTypeDef *huart) //当单片机向着串口发送数据进入这个函数

4.2 中断函数

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Transmit_IT(UART_HandleTypeDef *huart, const uint8_t *pData, uint16_t Size)

5.代码实现

5.1 代码实现发送中断

当我们向着串口发送数据就会进入这个函数（T开头，对应着我们的HAL_UART_Transmit_IT函数），为什么不用HAL_UART_Transmit函数，因为这个中断专用的，普通的输出函数用不了。

别忘了printf和scanf重定向，不然hello输出不到串口。可以看我之前文章配置单片机（STM32-串口通信）-CSDN博客

5.2 代码实现接收中断

(1)定长接收中断

回调函数：

weak void HAL_UARTEx_RxFifoFullCallback(UART_HandleTypeDef *huart)  //当单片机接收到串口发送的数据进入这个函数

定长接收的中断函数：

HAL_StatusTypeDef HAL_UART_Receive_IT(UART_HandleTypeDef *huart, uint8_t *pData, uint16_t Size)

(2)不定长接收中断--空闲中断

1. 空闲中断的特点

1.在一帧数据传输结束后，通信线路将会维持高电平，这个状态称为空闲状态；

2.当 CPU 检测到通信线路处于空闲状态时，且空闲状态持续时间大于一个字节传输时间时，空闲状态标志 IDLE 将由硬件置 1 。如果串口控制寄存器 CR1 中的 IDLEIE 位为 1 ，将会触发空闲中断 （IDLE 中断）；

3.由于空闲标志是在一帧数据传输完成后才置位，在有效数据传输过程中不会置位，因此借助空闲中断，可以实现不定长数据的收发。

2. 串口通信的常规中断

• 一般来说，串口每收到一个字节，就会触发一次“接收中断”，你可以在中断里处理这个字节。

• 但如果你要接收一串数据（比如一条消息），你并不知道消息什么时候结束，只能一个字节一个字节地处理，很麻烦。

3. 空闲中断的作用

• 空闲中断就是：

当串口一段时间没有再收到新数据时，硬件会自动告诉你：“现在串口是空闲的，数据流已经结束了！”

• 这样你就可以在空闲中断里，一次性处理刚刚收到的那一串数据。

4. 函数：

回调函数：

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)

不定长接收的中断函数：

void HAL_UARTEx_RxEventCallback(UART_HandleTypeDef *huart, uint16_t Size)

5.代码实现：

这里的空闲中断函数只能用一次，想要多次使用，可以在回调函数里面调用空闲中断，上面的也是一样，最好不放在while循环里。

这里memset的作用是把数组清空

八、总结

中断是一种让CPU在处理主程序时，能够及时响应外部或内部突发事件的机制。它具有异步性、高效性、优先级、自动性等特点，极大提升了嵌入式系统的实时性和可靠性。

在STM32等单片机中，EXTI负责检测外部信号并产生中断请求，NVIC统一管理和分发中断，实现多源中断的高效处理。

通过合理配置和使用中断，可以让系统在单线程下实现“伪并行”，高效应对各种输入输出需求，如按键控制、串口通信等。

特别是串口空闲中断，为不定长数据的高效接收提供了便利，是现代嵌入式开发不可或缺的重要技术。
可以自己尝试写一下：不定长接收去实现数码管显示内容，输入几个数据就改变几个数据