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Day07_STM32 单片机 - 中断

news 2025/9/19 12:33:36

一、处理器的工作模式

1.1 Cortex-M 核工作模式

1.异常模式
2.线程模式

1.2 Cortex-A 核工作模式

ARM-v7架构：1.非特权模式：User模式2.特权模式：2.1 非异常模式：Sys模式2.2 异常模式：IRQ模式 - 普通中断异常模式FIQ模式 - 快速中断异常模式SVC模式 - 超级管理异常模式ABT模式 - 中止访问异常模式UDF模式 - 未定义异常模式

ARM-v8架构：多两种：MON模式 - 安全监管模式、HYP模式 - 虚拟化技术模式

二、异常处理流程

图 1 异常处理流程图

2.1 异常源

异常源：触发处理器执行异常事件对应的处理逻辑的源头（集合）；
异常源支持很多异常事件。
=================================================================
5 种异常模式对应 7 种异常源；
每种异常源存在很多异常事件 - 异常源就是异常事件的集合；
SVC 模式下的复位异常源优先等级最高，处理器优先处理。

2.2 自动保护现场 - CPU 自动完成

自动保护现场需要做 4 件事：
1.将 CPSR 寄存器中的值保存到 SPSR_<MODE> 寄存器中
2.修改 CPSR 寄存器中的位：
2.1 修改 CPSR 寄存器中的 I / F 位（是否屏蔽 IRQ / FIQ 模式）；
2.2 修改 CPSR 寄存器中的 T 位（是否使用 ARM / Thumb 汇编指令集）；
2.3 修改 CPSR 寄存器中的 M 位（进入对应的异常模式）。
3.将函数的返回地址保存到 LR 寄存器中；
4.PC 寄存器指向异常向量表。

2.3 手动恢复现场 - 程序员手动完成

将 SPSR_<MODE> 寄存器中的值恢复到 CPSR 寄存器中；
将 LR 寄存器中的值赋值给 PC 寄存器。

2.4 异常向量表

地址   异常类型
0x1C   FIQ
0x18   IRQ
0x14   (Reserved)
0x10   Data Abort
0x0C   Prefetch Abort
0x08   Software Interrupt
0x04   Undefined Instruction
0x00   Reset

异常向量表：异常源的集合
当发生异常事件后，处理器检测当前异常事件所属异常源，就需要给各个异常源分配不同的内存空间地址，处理器去寻址查找。
异常向量表占内存空间的 32 个字节，每个异常源占 4 个字节空间，同时有 4 个字节的空间保留。

图 2 异常处理的流程
为什么引入异常向量表：
在异常出发后，最后是需要执行异常处理的函数；
而在开发板 / 系统上电复位后，函数的地址、参数的地址、变量的地址可能发生改变，对于 CPU 无从知晓变化后的地址，所以可以固定一片内存空间地址，引导 CPU 找到异常处理函数。
ARM 公司在开发并生产内核时，固定一片 32 个字节的地址空间，存放各个异常源的地址，称为异常向量表。

2.5 汇编代码模拟异常处理流程

.text		.global _start		_start:			@ 构建异常向量表b reset_handlerb undefined_handlerb swi_handlerb prefetch_handlerb data_handlerb .	@ 占4个字节空间操作b irq_handlerb fiq_handlerreset_handler:@ 为SVC模式下的SP寄存器给定一个内存空间地址ldr sp, =0x40000820@ 从SVC模式切换到User模式下，执行用户代码msr cpsr, #0xD0@ 用户代码，以下相当于main函数mov r0, #0x1mov r1, #0x2@ 软中断异常事件触发@ swi 2这条汇编指令执行完毕后，需要看到的效果@ 1、CPSR寄存器中的值是否被保存到SPSR寄存器中@ 2、CPSR寄存器中的值是否被改变（IFTM位）@ 3、LR寄存器中是否保存函数的返回地址@ 4、PC是否指向异常向量表中软中断异常源的地址swi 2add r2, r1, r0undefined_handler:swi_handler:@ 压栈保存现场，保存局部变量和函数返回地址stmfd sp!, {r0-r1, lr}@ 软中断异常源下第一个异常事件的处理函数mov r0, #0xffmov r1, #0xeeadd r2, r1, r0@ 出栈恢复现场，恢复局部变量和函数返回地址@ 还需要恢复SPSR寄存器中的值给到CPSR寄存器@ ^的作用：用于将SPSR寄存器中的值赋值给CPSR寄存器ldmfd sp!, {r0-r1, pc}^prefetch_handler:data_handler:irq_handler:fiq_handler:stop:			b stop		
.end

当异常发生时，CPU 根据异常的类型，找到异常向量表中对应异常源的固定地址，随后跳转到改地址去执行相应的异常处理函数，这和异常源的名字无关，名字只是帮助开发者理解的符号。

三、分析按键的电路图

KEY1 - PC9
KEY2 - PC8
KEY3 - PC5

图 3 按键抖动示意图

GPIO 检测按键的抬起和按下（高 / 低电平），中断检测按键抬起 / 按下的时机（上升沿 / 下降沿）。

四、分析芯片手册

图 4 NVIC 和 EXTI

EXTI：外部中断和事件控制器
NVIC：嵌套向量中断控制器
嵌套：中断的嵌套，指的是中断具备优先级等级，高优先级等级的中断信号可以打断低优先级的中断信号。
向量：所有异常中断统一由向量表进行管理。

在使用 Cortex-M 核（MCU），中断处理一般使用 EXTI + NVIC 来实现
在使用 Cortex-A 核（MPU），中断处理一般使用 EXTI + GIC（GICC+CPID）来实现

4.1 EXTI 介绍

1）介绍

图 5 EXTI 介绍

外部中断和事件控制器（EXTI）通过可配置的事件输入来管理各个 CPU 和系统唤醒。它向电源控制提供唤醒请求，并向 CPU NVIC 生成中断请求以及向 CPU 事件输入生成事件。对于 CPU，需要额外的事件生成模块（EVG）来生成CPU事件信号。

2）主要特性

图 6 EXTI 主要特性

支持 26 个输入事件编号；
可选择的边沿触发方式 - 上升沿触发、下降沿触发、上升沿下降沿都触发；
中断挂起状态标志位 - 上升沿和下降沿的中断状态在硬件层面被分开记录和处理；
支持中断信号和输入事件的屏蔽功能；
支持多个 GPIO 端口的选择。

4.2 输入事件编号

图 7 输入事件编号列表

输入事件编号（Event Input Number）是硬件层用于唯一标识外部中断/事件（EXTI）源的数字ID，每个编号对应一条独立的EXTI线（如编号0对应EXTI[0]）。其核心作用是通过数字映射将物理引脚的电平变化与系统中断/事件处理逻辑精准关联。

4.3 EXTI 内部框图

图 8 EXTI 内部框图

图 10 EXTI 内部框图描述

EXTI 外设控制器中有一个寄存器块，这个寄存器块被连接在 AHB3 总线上（EXTI 被连接在 AHB3 总线上）。
输入事件触发块用于提供输入事件边沿触发的逻辑，也就是需要设置输入事件的触发方式为上升沿触发 / 下降沿触发 / 双边沿触发。
输入事件屏蔽块用于提供输入事件的分配（可以分配给 PWR 用于系统唤醒、可以分配给 CPU 下的 NVIC 用于中断控制、也可以分配给 EVG 用于事件输出、还可以把上述操作屏蔽掉）。
IO 端口选择块提供了 GPIO 端口选择的功能（也就是让 EXTI 知道是哪个 GPIO 端口产生了中断信号）。

4.4 寄存器功能分析

图 11 EXTI 功能描述

中断的挂起：中断信号到达，等待被处理，需要执行这个中断信号对应的逻辑代码。也就是执行中断信号对应逻辑代码前，需要判断这个中断信号是否发生，即这个中断是否被挂起。

4.5 GPIO 端口选择

图 12 EXTI 多路选择（GPIO 端口选择）

4.6 寄存器分析

1）EXTI_FTSR1 寄存器

图 13 EXTI_FTSR1

下降沿触发选择寄存器
写入 0：PC9 引脚下降沿触发不使能
写入 1：PC9 引脚下降沿触发使能

2）EXTI_FPR1 寄存器

图 14 EXTI_FPR1

图 15

下降沿触发挂起寄存器
rc_w1权限：
r c_w1
写入0：
没有影响
写入1：人为清除对应的值
-----------------------------------------------------
读 0：没有下降沿触发请求存在
也就是下降沿没有触发，中断没有挂起
读 1：下降沿触发请求存在
也就是下降沿触发，中断被挂起

当我们检测按键是否按下时，也就是检测中断是否被挂起，也就是读取这个寄存器对应位是否为 1：
读取到 1：就代表中断被挂起，可以执行处理逻辑；
读到到 0：就代表中断没有被挂起，不需要执行处理逻辑；
当我们读取到中断被挂起后，为了让中断不一直处于被挂起状态，需要人为手动解除中断的挂起。